Les étoiles ont des couleurs, alors pourquoi semblent-elles presque toutes blanches dans le ciel nocturne ?
― La couleur ne disparaît pas dans l'étoile, mais dans votre œil
Dans les livres illustrés, les étoiles sont dessinées en rouge ou en bleu-blanc. Mais quand on lève les yeux vers le ciel nocturne, la plupart des étoiles ne sont que de simples points blancs. Elles n'ont pas perdu leur couleur : c'est notre œil qui, face à une lumière trop faible, met au repos son « service des couleurs ».
Un soir d'automne, vous levez les yeux depuis votre balcon. Dans un endroit peu éclairé par la ville, vous devriez apercevoir plusieurs dizaines d'étoiles.
En cours de sciences, on vous a appris qu'il existe des étoiles rouges et des étoiles bleues. Pourtant, devant vous, toutes brillent d'une lumière presque blanche.
En regardant bien, une étoile particulièrement brillante semble teintée d'un léger orange. La couleur ne se distingue, pour une raison mystérieuse, que sur les étoiles les plus brillantes.
Deux raisons seulement expliquent le blanc des étoiles
Qu'elle soit rouge ou bleue, une étoile émet un peu de chaque couleur de l'arc-en-ciel. La différence de couleur ne vient que d'une légère dominante, bien moins marquée qu'avec de la peinture.
L'œil possède des cellules qui perçoivent les couleurs, et d'autres, insensibles aux couleurs, mais très efficaces dans l'obscurité. La lumière d'une étoile faible n'active que ces dernières.
La première raison tient à l'étoile elle-même, la seconde à notre œil. Lorsque les deux se combinent, le ciel nocturne devient presque un monde en noir et blanc. Voyons cela dans l'ordre.
Les étoiles rouges comme les étoiles bleues émettent toutes les couleurs de l'arc-en-ciel
La couleur d'une étoile dépend de la température de sa surface. Une étoile peu chaude est orangée, une étoile comme le Soleil tire sur le jaune-blanc, et une étoile très chaude brille d'un bleu-blanc. C'est le même principe qu'une braise ou une plaque électrique rouge : plus un objet est chaud, plus sa lumière penche vers le bleu.
Mais la lumière émise par un objet chaud n'est jamais d'une seule couleur. Observez la figure 1 : cette courbe en forme de montagne représente l'intensité de la lumière d'une étoile selon la couleur (c'est-à-dire la longueur d'onde). Cette montagne est très étalée et recouvre entièrement la plage visible à l'œil (la bande arc-en-ciel).
En faisant varier la température avec le curseur, le sommet de la montagne se déplace. Mais à l'intérieur de la bande arc-en-ciel, la courbe ne forme jamais qu'une pente douce, quelle que soit la température. Le rouge, le vert et le bleu sont tous présents, et l'œil, en les mélangeant, perçoit une teinte proche du blanc.
Même pour Bételgeuse, qui paraît orangée, le sommet de sa courbe se situerait du côté de l'infrarouge, invisible à l'œil. Pour Sirius, bleu-blanc, il se situe du côté de l'ultraviolet. Dans les deux cas, ce que nous voyons n'est qu'une partie du « pied » de la montagne.
Dans la pénombre, le « capteur de couleurs » de l'œil se met au repos
Au fond de l'œil se trouvent deux types de cellules réceptrices de lumière. Les premières, les cônes, distinguent les couleurs : il en existe trois types, sensibles respectivement au rouge, au vert et au bleu. Les secondes, les bâtonnets, résistent bien à l'obscurité et réagissent à une lumière très faible — mais comme il n'en existe qu'un seul type, ils ne distinguent pas les couleurs.
Les cônes ont besoin d'un minimum de lumière pour fonctionner. La plupart des étoiles du ciel nocturne n'atteignent pas ce seuil. Seuls les bâtonnets réagissent alors, et l'étoile n'apparaît plus que comme un point blanc, plus ou moins lumineux.
La figure 2 compare la couleur réellement émise par les étoiles (rangée du haut) et celle perçue à l'œil nu (rangée du bas). Seules les étoiles brillantes, à gauche, activent suffisamment le capteur de couleurs pour qu'une teinte subsiste dans la rangée du bas. Les étoiles faibles, à droite, deviennent grises et blanchâtres, quelle que soit leur couleur d'origine.
Les jumelles captent la lumière avec des lentilles bien plus grandes que la pupille de l'œil. La lumière de l'étoile devient alors plus intense, ce qui active le capteur de couleurs : une étoile blanche à l'œil nu peut révéler une teinte orange ou bleue. Albireo, dans le bec du Cygne, est ainsi connue pour être formée de deux étoiles, l'une orange et l'autre bleue.
Pour mieux percevoir la couleur d'une étoile, certains observateurs décalent volontairement la mise au point du télescope. La lumière, au lieu de former un point, s'étale en un petit disque, ce qui active davantage de cellules sensibles aux couleurs et rend la teinte plus facile à distinguer.
En résumé
Les étoiles émettent une lumière colorée selon leur température. Mais cette lumière mélange déjà toutes les couleurs de l'arc-en-ciel, ce qui rend les différences de couleur discrètes au départ. Et la lumière des étoiles faibles n'est pas assez intense pour activer le capteur de couleurs de l'œil. Voilà pourquoi la plupart des étoiles du ciel nocturne paraissent blanches.
Les étoiles n'ont pas perdu leur couleur.
C'est notre œil qui, dans l'obscurité, met en pause la lecture des couleurs.
La façon dont l'œil s'adapte à l'obscurité est détaillée dans l'article « Pourquoi ne voit-on plus rien pendant un moment en entrant dans une pièce sombre depuis un endroit lumineux ? », et le lien entre couleur et température d'un objet chaud dans « Comment un forgeron devine-t-il la température du fer sans thermomètre ? ». Pour savoir pourquoi les étoiles scintillent, voir cet article.
- Dans un endroit peu éclairé par les lampadaires, laissez vos yeux s'habituer à l'obscurité pendant une dizaine de minutes, sans regarder l'écran de votre téléphone.
- Choisissez quelques-unes des étoiles les plus brillantes et comparez leurs couleurs. En automne, Aldébaran, orangée, qui se lève tard le soir à l'est, peut servir de repère.
- Essayez ensuite de distinguer la couleur d'une étoile faible. Si vous avez des jumelles, observez la même étoile avec et comparez comment la couleur change.
Si les couleurs se distinguent mieux sur les étoiles brillantes, et si elles s'intensifient avec des jumelles, vous aurez vérifié de vos propres yeux la seconde raison expliquée dans cet article. Faites attention où vous marchez pendant vos observations nocturnes, et accompagnez-vous d'un adulte.
Pour en savoir plus ― vocabulaire, formules et liens avec les manuelsDu collège à l'université, le niveau de chaque partie est indiqué clairement
- CollègeNiveau abordé en sciences au collège
- LycéeNiveau abordé en physique, sciences de la Terre ou biologie au lycée
- Lycée+Contenu d'approfondissement ou d'encadré dans les manuels de lycée
- UniversitéContenu non vu au lycée, relevant d'une discipline universitaire spécialisée (astrophysique, sciences de la vision)
- RechercheSujet qui n'est pas encore enseigné comme établi, même à l'université, et que les chercheurs étudient actuellement
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Cônes : cellules de la rétine qui distinguent les couleurs. Il en existe trois types, sensibles respectivement au rouge, au vert et au bleu, et actifs en pleine lumière.
- Bâtonnets : cellules de la rétine résistantes à l'obscurité. Elles réagissent à une lumière très faible, mais comme il n'en existe qu'un seul type, elles ne distinguent pas les couleurs.
- Magnitude : échelle de luminosité des étoiles. Plus le nombre est petit, plus l'étoile est brillante ; une étoile de magnitude 1 est définie comme environ 100 fois plus brillante qu'une étoile de magnitude 6.
CollègeLycéeVérification par le calcul : où se situe le « sommet » de la lumière d'une étoile ?
La longueur d'onde où la lumière d'un objet chaud est la plus intense ne dépend que de sa température. Utilisons cette relation pour calculer où se situe le « sommet » pour une étoile orange et pour une étoile bleu-blanc.
| En symboles | λmax = b ÷ T |
| En mots | Longueur d'onde du pic d'intensité = constante fixe ÷ température de surface |
| Origine de la formule | Cette relation (loi du déplacement de Wien) découle du calcul du sommet de la « loi de Planck », qui décrit l'intensité de la lumière d'un objet chaud selon la couleur |
| λmax | Longueur d'onde où la lumière est la plus intense. Unité : nanomètre (nm) |
| b | Constante de déplacement de Wien. Unité : nm·K |
| T | Température de surface de l'étoile. Unité : kelvin (K) |
| Constante de déplacement de Wien | environ 2 898 000 nm·K |
| Température de surface de Bételgeuse | environ 3 500 K, selon les estimations |
| Température de surface de Sirius | environ 9 900 K, selon les estimations |
| Température de surface du Soleil | environ 5 800 K |
| Plage de lumière visible | environ 380 à 780 nm |
| Sommet pour Bételgeuse | 2 898 000 ÷ 3 500 ≈ 828 nm |
| Dépassement au-delà du rouge visible | 828 − 780 = 48 nm |
| Sommet pour Sirius | 2 898 000 ÷ 9 900 ≈ 293 nm |
| Dépassement au-delà du violet visible | 380 − 293 = 87 nm |
| Sommet pour le Soleil | 2 898 000 ÷ 5 800 ≈ 500 nm |
Le sommet d'une étoile orange dépasse du côté de l'infrarouge, celui d'une étoile bleu-blanc du côté de l'ultraviolet. Dans les deux cas, seule une partie de la pente de la montagne entre dans la plage visible. La différence de couleur ne se traduit donc pas par « rouge » ou « bleu », mais plutôt par « du blanc avec une pointe d'orange » ou « du blanc avec une pointe de bleu ».
LycéeLycée+Couleur des étoiles, température, et échelle de luminosité
LycéeEn sciences de la Terre, on étudie la relation entre la couleur d'une étoile (son type spectral) et sa température de surface. Dans l'ordre O, B, A, F, G, K, M, la température diminue et la couleur passe du bleu-blanc au blanc, au jaune, à l'orange, puis au rouge. En biologie, on étudie les rôles respectifs des cônes et des bâtonnets de la rétine.
Lycée+La magnitude est une échelle logarithmique qui exprime un rapport de luminosité. Elle est définie de sorte qu'un écart de 5 magnitudes corresponde exactement à un facteur 100, soit environ 2,512 fois par magnitude. Cette convention porte le nom de son auteur : la formule de Pogson. En astronomie, on exprime aussi la couleur d'une étoile par un nombre, l'indice de couleur, qui mesure l'écart de luminosité entre un filtre bleu et un filtre jaune-vert.
UniversitéRayonnement du corps noir, vision mésopique et scotopique
La lumière d'une étoile peut, en première approximation, être traitée comme un « rayonnement du corps noir ». La distribution de son intensité est décrite par la loi du rayonnement de Planck, dont le calcul du maximum donne la loi du déplacement de Wien. Du côté de la vision, on appelle vision photopique l'état où seuls les cônes fonctionnent, vision scotopique celui où seuls les bâtonnets fonctionnent, et vision mésopique l'état intermédiaire où les deux fonctionnent. La perception des couleurs d'une étoile à l'œil nu dépend donc de la mesure dans laquelle sa lumière atteint le seuil de réaction des cônes. De plus, la fovéa, au centre de l'œil, concentre les cônes et contient très peu de bâtonnets : observer une étoile faible et percevoir sa couleur ne mobilisent donc pas la même région de la rétine.
📖 Pour la démonstration des formules et pour aller plus loin : loi du déplacement de Wien (Wikipédia, en japonais) ／ magnitude (astronomie) (Wikipédia, en japonais)
RechercheCe qui reste encore mal compris
- Perception des couleurs en vision mésopique Lorsque bâtonnets et cônes fonctionnent simultanément, la façon précise dont leurs deux signaux se combinent pour produire une sensation de couleur fait encore l'objet de recherches.
- Différences individuelles de perception des couleurs Devant la même étoile, certaines personnes voient de l'orange, d'autres du blanc. On ne sait pas précisément dans quelle mesure le jaunissement du cristallin avec l'âge, ou les variations individuelles du nombre de cônes, interviennent.
- Traditions sur la couleur des étoiles Certains textes anciens décrivent comme « rouges » des étoiles qui paraissent aujourd'hui blanches. On débat encore pour savoir si l'étoile elle-même a changé, ou si c'est une question d'enregistrement ou de perception.
Le contenu de cet article reste donc « une explication dans l'état actuel des connaissances ». La perception de la couleur des étoiles mêle à la fois la physique des étoiles et le mécanisme de notre œil.
Liens avec les manuels (par niveau)
| Niveau | Matière / unité | Partie correspondante de l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences : propriétés de la lumière, structure de l'œil | La lumière d'une étoile comme mélange de toutes les couleurs ; les deux types de cellules de l'œil |
| Lycée | Sciences de la Terre : couleur et température des étoiles ／ Biologie : la vision | Température et couleur dans la figure 1 ; cônes et bâtonnets |
| Lycée+ | Approfondissement : magnitude et indice de couleur | Rapport de luminosité entre une étoile de magnitude 1 et de magnitude 6 |
| Université | Astrophysique, sciences de la vision | Loi du rayonnement de Planck ; visions photopique, scotopique et mésopique |
| Recherche | Psychophysique de la vision | Perception des couleurs en vision mésopique, différences individuelles |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | C'est le même mécanisme qui rend difficile la perception des couleurs des fleurs ou des vêtements la nuit |
- ウィーンの変位則 - ウィキペディア (loi du déplacement de Wien)
- 等級（天文） - ウィキペディア (magnitude en astronomie)
- 国立天文台 編『理科年表』丸善出版 (Observatoire astronomique national du Japon, *Chronological Scientific Tables*, Maruzen Publishing — température de surface et type spectral des étoiles)
- 日本視覚学会 編『視覚情報処理ハンドブック』朝倉書店 (Société japonaise de la vision, *Handbook of Visual Information Processing*, Asakura Shoten — cônes, bâtonnets, vision photopique et scotopique)
※Cet article propose une explication scientifique grand public. Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur destinés à faciliter la compréhension du mécanisme. La température de surface des étoiles varie selon les sources.