Pourquoi les étoiles semblent-elles scintiller ?
― Ce qui vacille, ce n'est pas l'étoile, c'est l'air juste au-dessus de vous
Les étoiles brillent en continu, sans à-coups, loin là-haut. Elles ne s'allument et ne s'éteignent pas. Pourtant, vues depuis le sol, elles semblent scintiller. La cause se trouve entre l'étoile et votre œil : l'air terrestre. Cet air a des zones de température inégale, et le trajet de la lumière qui les traverse s'en trouve légèrement dévié. Comme cette déviation change sans cesse, la quantité de lumière qui vous parvient augmente et diminue tour à tour.
Par une nuit bien dégagée, vous sortez et levez les yeux vers le ciel. Une multitude de points lumineux parsèment l'obscurité. En les observant attentivement, vous remarquez que certains tremblotent, leur éclat vacillant légèrement.
Mais parmi eux, un point plus gros ne tremble pas du tout. Sa lumière reste stable, sans changement de couleur. En vous renseignant plus tard, vous découvrez qu'il ne s'agissait pas d'une étoile, mais de Jupiter.
Dans le même ciel nocturne, certains points tremblent et d'autres non. Cette différence révèle, à elle seule, la véritable nature du scintillement.
Deux raisons, et seulement deux
La lumière ne se propage pas tout à fait à la même vitesse dans l'air chaud et dans l'air froid. À leur frontière, son trajet se courbe. Comme l'air est sans cesse en mouvement, cette courbure change à chaque instant.
La lumière issue d'un point n'a qu'un seul trajet : si ce trajet vacille, la quantité reçue varie entièrement. Une planète proche, elle, apparaît comme un petit disque : les vacillements de ses nombreux points s'annulent mutuellement, et sa lumière reste stable.
Autrement dit, le scintillement n'est pas une propriété des étoiles, mais de l'air terrestre. En observant le ciel nocturne, c'est en réalité l'atmosphère située à environ 10 kilomètres au-dessus de votre tête que vous regardez. Voyons cela en détail.
Pourquoi une différence de température fait-elle dévier la lumière ?
La lumière se propage le plus vite dans le vide. Dans l'air, elle ralentit très légèrement. Ce ralentissement dépend de la densité de l'air.
L'air chaud se dilate, devient plus léger et moins dense. L'air froid se contracte, devient plus lourd et plus dense. Ainsi, lorsque la lumière traverse en biais la frontière entre air chaud et air froid, sa direction change légèrement. C'est le même phénomène qui fait paraître le fond d'une piscine moins profond qu'il ne l'est.
Et l'air n'est jamais immobile. La chaleur qui monte du sol, les vents violents en altitude, les courants d'air heurtant montagnes et bâtiments : tout cela brasse l'air et crée des poches de température de toutes tailles. Ces poches, emportées par le vent, défilent continuellement sur la ligne qui relie votre œil à l'étoile.
Résultat : le trajet de la lumière d'une étoile change légèrement, des dizaines de fois par seconde. Tantôt la lumière se concentre et s'éclaircit, tantôt elle se disperse et s'assombrit. C'est cela, le scintillement. Regardez la figure 1.
Pourquoi les planètes scintillent-elles moins ?
Les étoiles sont extrêmement lointaines. Même les plus grandes ne sont, à l'œil nu, que des points sans taille apparente. La lumière issue d'un point n'a qu'un seul trajet : si ce trajet vacille, l'éclat perçu varie dans son ensemble.
Les planètes, elles, bien que dans le même ciel, se trouvent à une distance bien moindre. Vénus ou Jupiter apparaissent, même à l'œil nu, comme de « tout petits disques ». Chaque point de ce disque envoie sa lumière par un trajet différent.
Quand un trajet s'assombrit, le trajet voisin peut au même instant s'éclaircir. En additionnant les variations de nombreux trajets, les écarts se compensent. C'est pourquoi les planètes paraissent briller d'une lumière stable. Si vous repérez dans le ciel un point qui ne tremble pas, il y a de bonnes chances que ce soit une planète.
La lumière d'une étoile au zénith traverse l'atmosphère tout droit, sur le plus court chemin possible. Celle d'une étoile proche de l'horizon la traverse en biais, sur un trajet bien plus long. Plus la lumière traverse d'air, plus elle rencontre de zones de température inégale. C'est pourquoi les étoiles basses scintillent davantage, et peuvent même sembler changer de couleur, virant au rouge ou au bleu.
L'intensité du scintillement conditionne directement la qualité des observations astronomiques. Par une nuit où les turbulences de l'air sont faibles, l'image vue au télescope est plus nette. Si les observatoires sont construits en haute altitude ou sur des îles aux courants d'air stables, c'est justement pour réduire au maximum ces turbulences atmosphériques.
En résumé
Si les étoiles scintillent, ce n'est pas de leur faute. C'est celle de l'air, sans cesse en mouvement, situé entre l'étoile et votre œil. Les zones de température inégale courbent légèrement le trajet de la lumière, et comme cette courbure change continuellement, la quantité de lumière reçue varie. Et comme les étoiles ne sont que des points, cette variation se traduit directement en changement d'éclat.
Le scintillement n'est pas un signal venu des étoiles.
C'est un message de la Terre : l'air au-dessus de vous est en mouvement.
La déviation de la lumière par des écarts de température de l'air est aussi le sujet principal de Pourquoi voit-on des mirages ?. La question de savoir pourquoi les étoiles elles-mêmes continuent de briller est traitée dans Pourquoi les étoiles peuvent-elles briller pendant des milliards d'années ?, et celle de leur invisibilité de jour dans Pourquoi ne voit-on pas les étoiles le jour ?. Pour un exemple de lumière qui vacille au sol, voir aussi Pourquoi les taches de lumière filtrées par les feuilles sont-elles toutes rondes ?.
- Par une nuit bien dégagée, levez les yeux vers le ciel pendant environ 10 minutes. Comptez et comparez les points qui tremblotent finement et ceux qui restent stables. Ceux qui restent stables sont souvent des planètes.
- La même nuit, comparez une étoile proche du zénith et une étoile basse, près de l'horizon. L'étoile basse tremble généralement plus fort, et peut même sembler changer de couleur.
- Par une journée ensoyée, observez à hauteur d'œil un parking en asphalte chauffé par le soleil. Le paysage au loin ondule et se déforme. C'est une version amplifiée de ce qui se passe dans le ciel nocturne.
Faites vos observations nocturnes dans un lieu sûr, à l'écart de la circulation. Vérifiez vos pas et vos environs avant de lever les yeux vers le ciel.
Pour aller plus loin ― vocabulaire, formules et liens avec les manuels scolairesDu collège jusqu'aux matières spécialisées universitaires, le niveau de chaque partie est indiqué
- CollègeCe qu'on apprend en sciences au collège
- LycéeCe qu'on apprend en « physique fondamentale/physique » au lycée
- Lycée+Contenu approfondi du lycée, ou traité en encadré dans les manuels
- UniversitéContenu non enseigné au lycée, relevant d'une matière universitaire spécialisée (astronomie, physique de l'atmosphère)
- RechercheUn sujet qui n'est même pas encore enseigné comme établi à l'université, encore en cours d'étude par les chercheurs
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Scintillement (des étoiles) : le phénomène par lequel l'éclat de la lumière d'une étoile, après avoir traversé l'atmosphère, semble vaciller finement.
- Réfraction : le changement de direction de la lumière à la frontière entre deux milieux où sa vitesse de propagation diffère. Cela se produit non seulement dans l'eau ou le verre, mais aussi à la frontière entre deux masses d'air de densités différentes.
- Turbulence atmosphérique : l'état dans lequel la température et la densité de l'air varient d'un endroit à l'autre, tout en étant en mouvement. C'est ce qui fait changer sans cesse le trajet de la lumière d'une étoile.
- Diamètre apparent : la taille angulaire sous laquelle un astre est vu dans le ciel. Les étoiles sont si petites qu'elles apparaissent comme de simples points à l'œil nu.
CollègeLycéeVérification par le calcul : de combien de fois la taille d'une turbulence une planète paraît-elle plus grande ?
Si les planètes scintillent peu, c'est que leur taille apparente est bien plus grande que celle d'une turbulence atmosphérique. Prenons Jupiter comme exemple, avec des valeurs réelles. Pour l'unité d'angle, on utilise la « seconde d'arc », qui vaut 1/3600e de degré.
| En notation symbolique | θ ≒ D ÷ L (en radians) rapport = θ ÷ θturbulence |
| En mots | Taille apparente (angle) ≒ diamètre de l'astre ÷ distance à l'astre. En divisant ce résultat par la taille d'une turbulence atmosphérique, on obtient combien de « turbulences » l'astre couvre en largeur |
| D'où vient cette formule | De la relation longueur d'arc = rayon × angle au centre (en radians). L'astre étant très lointain, on peut assimiler son diamètre à une longueur d'arc (approximation des petits angles) |
| Symbole | Signification et unité |
| Distance | Longueur entre la Terre et l'astre, en kilomètres |
| Diamètre | Diamètre de l'astre lui-même, en kilomètres |
| Diamètre apparent | Taille apparente dans le ciel, en degrés ou en secondes d'arc |
| Distance de Jupiter (au plus proche de la Terre) | Environ 600 millions de kilomètres |
| Diamètre de Jupiter | Environ 140 000 kilomètres |
| Constante de conversion angulaire | 1 radian ≈ 57,3 degrés |
| Taille typique d'une turbulence par bonne nuit | Environ 1 seconde d'arc |
| Rapport de taille apparente | 140000 ÷ 600000000 ≒ 0,00023 |
| Conversion en degrés | 0,00023 × 57,3 ≒ 0,013 |
| Conversion en secondes d'arc | 0,013 × 3600 ≒ 47 |
| Comparaison avec la turbulence | 47 ÷ 1 = 47 |
Jupiter apparaît donc environ 47 fois plus large qu'une turbulence atmosphérique. Une seule turbulence n'affecte alors qu'une infime partie de l'ensemble du disque : les effets se moyennent, et la lumière paraît stable. Le diamètre apparent d'une étoile, à l'œil nu, reste bien plus petit qu'une turbulence, si bien que cette compensation ne se produit pas.
LycéeLycée+L'indice de réfraction dépend de la densité de l'air
LycéeAu lycée, on apprend la loi de la réfraction. Lorsque la lumière traverse en biais la frontière entre deux milieux, sa direction change selon le rapport de leurs vitesses de propagation. L'indice de réfraction de l'air est très proche de 1, environ 1,0003 près du sol. Cette infime différence s'accumule sur de longues distances.
Lycée+L'écart entre l'indice de réfraction de l'air et 1 est à peu près proportionnel à sa densité. D'après l'équation d'état des gaz, la densité est proportionnelle à la pression et inversement proportionnelle à la température. Ainsi, un simple écart d'un degré de température crée une infime différence d'indice de réfraction. La lumière qui traverse le ciel nocturne accumule cette différence sur plusieurs kilomètres.
UniversitéL'intensité de la turbulence se mesure en termes statistiques
En physique de l'atmosphère, à l'université, le brassage de l'air est traité comme un transfert d'énergie des grands tourbillons vers les petits. L'intensité des variations d'indice de réfraction est exprimée comme une valeur numérique à chaque altitude. En sommant cette distribution sur toute la hauteur, on estime le degré de flou de l'image observée cette nuit-là. Les observatoires enregistrent quotidiennement cette valeur comme indicateur des conditions d'observation du site.
Les grands télescopes utilisent aussi des techniques pour annuler ces turbulences. La forme du miroir est déformée plusieurs centaines de fois par seconde, pour corriger en temps réel le front d'onde lumineux déformé. Grâce à cette technique, un télescope au sol peut parfois atteindre une netteté proche de celle d'un télescope spatial. Cette technique s'appelle l'optique adaptative. Par ailleurs, la répartition de l'énergie selon la taille des tourbillons est décrite par la théorie de la turbulence de Kolmogorov.
📖 Pour la dérivation des formules et pour aller plus loin : Optique adaptative (Wikipédia japonais) ／ Turbulence (Wikipédia japonais)
RechercheCe qui reste encore mal compris
- À quelle altitude naît la turbulence. Quelle part revient à la couche proche du sol et quelle part aux vents violents en altitude ? Les différences selon le lieu et la saison font encore l'objet d'observations en cours.
- La prévision à quelques heures. Des tentatives se poursuivent pour prédire, à partir des prévisions météorologiques, si la turbulence de la nuit sera forte ou faible. Comme cela conditionne directement la répartition du temps d'observation, on cherche à en améliorer la précision.
- Les différences selon la couleur. Le changement de couleur parfois observé lors du scintillement provient des différences de déviation selon la couleur de la lumière. Les études incluant la façon dont cette perception est ressentie par l'œil humain restent encore peu nombreuses.
Le contenu de cet article reste donc « une explication dans la limite de ce qui est connu aujourd'hui ». Le scintillement est aussi un instrument de mesure naturel, qui nous renseigne gratuitement, chaque nuit, sur l'état de l'atmosphère terrestre.
Liens avec les manuels scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / unité | Partie correspondante de l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences・propriétés de la lumière (réflexion et réfraction) | La courbure du trajet lumineux à la frontière entre masses d'air de températures différentes |
| Lycée | Physique・ondes (loi de la réfraction) | La relation entre indice de réfraction et vitesse de propagation |
| Lycée+ | Physique・propriétés des gaz ／ Sciences de la Terre・atmosphère | La naissance d'un infime écart d'indice de réfraction à partir de la densité et de la température |
| Université | Physique de l'atmosphère・astronomie d'observation | La description statistique de la turbulence et la technique de correction par déformation du miroir |
| Recherche | Optique atmosphérique・prévision des conditions d'observation | À quelle altitude naît la turbulence et quand elle s'intensifie |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Repérer dans le ciel un point qui ne tremble pas ; la déformation du paysage par temps chaud |
- Centre d'information astronomique de l'Observatoire astronomique national du Japon (国立天文台 天文情報センター), « Foire aux questions » (explication sur le scintillement des étoiles et la turbulence atmosphérique)
- Société astronomique du Japon (日本天文学会), Dictionnaire d'astronomie en ligne (『天文学辞典』オンライン版), entrées « seeing » et « turbulence atmosphérique »
- Ie Masanori et al. (家正則ほか), Série l'astronomie contemporaine, vol. 15 : Observation de l'univers I ― astronomie optique et infrarouge (『シリーズ現代の天文学 第15巻 宇宙の観測I ― 光・赤外天文学』), Nippon Hyoron Sha (日本評論社)
- Observatoire d'Hawaï de l'Observatoire astronomique national du Japon (télescope Subaru) (国立天文台 ハワイ観測所〈すばる望遠鏡〉), page explicative sur l'« optique adaptative »
- Observatoire astronomique national du Japon, éd. (国立天文台編), Annuaire des sciences (『理科年表』), Maruzen Publishing (丸善出版) (valeurs de distance, diamètre et diamètre apparent des planètes)
※ Cet article est une vulgarisation scientifique destinée au grand public. Les valeurs indiquées sont des repères et des approximations destinés à faciliter la compréhension du phénomène. Pour toute observation nocturne en extérieur, vérifiez au préalable la sécurité de la circulation et du terrain, et suivez les consignes des autorités locales ou des gestionnaires du site.