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Mesurer l’éclat des objets célestes

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Un photomètre est un appareil qui mesure et quantifie l’éclat d’un corps céleste (une galaxie, une étoile, une comète ou une planète, par exemple). L’éclat dépend de la luminosité de l’objet mais aussi de la distance qui nous en sépare de même que de la quantité de matière qui peut l’obscurcir. Une étoile très lumineuse peut ainsi avoir un éclat faible si elle est très éloignée de nous ou si elle est obscurcie par des nuages de gaz et poussières interstellaires, par exemple.

Le photomètre a plusieurs applications en astronomie. Dans le cas des étoiles par exemple, il peut servir à déterminer leur température, leur distance et même leur âge. On peut également l’utiliser pour tenter de savoir s’il y a des planètes en orbite autour de certaines étoiles.

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Prenons le cas de la température. Une étoile chaude aura tendance à émettre beaucoup de lumière dans le bleu (et donc à des longueurs d’onde relativement énergétiques), tandis qu’une étoile froide émettra surtout dans le rouge (et donc à des longueurs d’onde moins énergétiques). En mesurant avec un photomètre la quantité de lumière émise dans le bleu et le rouge, donc essentiellement la couleur de l’étoile, on peut ainsi estimer sa température.

Mesurer l’éclat d’un objet céleste revient à mesurer le flux de lumière qu’on en reçoit. Pour une étoile par exemple, le flux lumineux dépend de la température et de la dimension de sa surface ainsi que de la distance à laquelle elle se trouve. Si on connaît sa température, par sa couleur, et sa distance, par d’autres types de mesures, on peut alors calculer sa surface, donc ses dimensions géométriques.

Les astronomes peuvent utiliser les photomètres pour mesurer de façon précise la lumière émise aux longueurs d’onde spécifiques des « raies d’émission » produites par les éléments chimiques chauffés. Ils apprennent ainsi de quoi sont composées les étoiles.

Au cours des siècles, plusieurs méthodes ont été mises au point pour estimer l’éclat d’un objet céleste. Elles avaient cependant toutes un inconvénient majeur : la détermination de l’éclat se faisait toujours visuellement et pouvait varier grandement d’un observateur à l’autre.

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Cependant, tout change en 1836. L’astronome britannique John Frederick William Herschel invente alors un photomètre (qu’il nomme « astromètre ») permettant de comparer, à l’œil, grâce à une échelle, l’éclat des étoiles avec une image télescopique réduite de la Lune. C’est le premier « vrai » photomètre.

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En 1839, l’astronome français Dominique François Jean Arago propose de mettre au point un nouveau photomètre utilisant la photographie. Son but est d’éliminer le rôle joué par l’observateur dans la mesure de l’éclat et de rendre la technique totalement objective.

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En 1844, les physiciens français Jean Bernard Léon Foucault et Armand Hippolyte Louis Fizeau réalisent une série d’expériences pour Arago dans lesquelles un photomètre est couplé à un daguerréotype. Il faut cependant attendre jusqu’en 1885 pour voir une utilisation systématique des plaques photographiques en photométrie. C’est, en effet, à ce moment que l’astronome hollandais Jacobus Cornelius Kapteyn commence à mesurer les éclats de 454 875 étoiles de l’hémisphère Sud.

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La technique généralement utilisée pour déterminer l’éclat d’un objet consiste alors à mesurer son diamètre sur une plaque photographique. Plus l’éclat est intense, plus la plaque réagit et plus le diamètre est grand. Le problème avec cette méthode est que si la lumière est trop intense, l’émulsion devient saturée et cesse de réagir.

En 1910, l’astronome américain Charles Edward Pickering parvient à résoudre le problème : il propose de mesurer la quantité de lumière qui parvient à passer au travers de l’image stellaire plutôt que de déterminer son diamètre. Quelques années plus tard, en 1916, l’astronome américain Harlan True Stetson invente le premier photomètre fonctionnant sur ce principe. À partir de ce moment, la plupart des photomètres modernes opéreront de la même façon.

De nombreuses autres améliorations seront apportées aux photomètres photographiques lors du vingtième siècle. Parmi celles-ci, notons l’addition d’un iris ajustable projeté autour de l’image de l’étoile en 1934, l’automatisation complète du procédé en 1969 et l’ajout d’un laser pour rendre plus précise la prise de données en 1971.

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