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Mis en ligne le 20 Septembre 2002
Vie et traveaux de Jules JANSSEN
D.E.U.G. 1994 2ème année Option Mathématiques - Informatique
Université de ROUEN
Centre d'Evreux
Professeur Mme Mofaddel
Cédric DELESCLUSE
Rapport d'I.R.I.S.
| Sommaire |
| I. Biographie de Pierre Jules César JANSSEN |
| II. Le spectre de la lumière du soleil |
| II. 1. Définition |
| II. 2. Histoire |
| II. 3. Utilisation du spectre solaire |
| II. 4. A quoi sont dues les raies ? |
| II. 5. Les travaux de Jules JANSSEN |
| III. L'Hélium |
| III. 1. Définition, caractéristiques de l'Hélium |
| III. 2. La place de l'Hélium dans l'univers |
| La place de l'Hélium dans le soleil |
| La place de l'Hélium sur la terre |
| La place de l'Hélium dans l'univers |
| III. 3. Utilisation de l'Hélium |
| IV. Les instruments d'observation de Jules JANSSEN |
| IV. 1. L'observatoire de Meudon |
| IV. 2. Le revolver photographique |
| V. Conclusion |
| VI. Bibliographie |
| VII. Notes littérales |
Pierre Jules César JANSSEN, astrophysicien français fut l'un des pionners de l'étude des raies telluriques.
I. Biographie de Pierre Jules César JANSSEN
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Pierre Jules César JANSSEN est né à Paris le 22 février 1824.
Il fut l'un des premiers astrophysiciens. (Il travailla longtemps sur les raies telluriques, après la découverte de la décomposition de la lumière à travers un prisme). |
En 1868, une éclipse de soleil en Inde lui permet de découvrir l'Hélium dans l'atmosphère du soleil en même temps que l'astrophysicien anglais Sir Joseph Norman Lockyer [voir note : d].
En 1873, il devient membre de l'académie des Sciences.
En 1874, il invente le " revolver photographique ", pour pouvoir photographier le passage de la planète Vénus devant le Soleil.
En 1876, il crée l'observatoire d'astrophysique de Meudon (dans les Hauts-de-Seine, près de Paris). Il en est le premier directeur.
Cet observatoire lui permet de faire un grand nombre de photographies du soleil entre 1876 et 1903, dont il fait un atlas.
En 1890, malgré ses soixante-six ans, il fait l'ascension du Mont Blanc et les années suivantes, il y établit un observatoire pour bénéficier de la faible épaisseur de l'atmosphère à cette altitude.
Il meurt à Meudon, le 23 décembre 1907.
II. Le spectre de la lumière du soleil
II. 1. Définitions
La lumière peut-être envisagée comme un train d'ondes. La longueur d'onde détermine la couleur : La lumière violette (400 nm [voir note: ]) a une longueur d'onde plus courte que le rouge (650 nm [voir note : 1]).La déviation du rayon lumineux à travers une goutte d'eau ou un prisme dépend de la longueur d'onde : La lumière bleue est plus déviée que la lumière rouge. La lumière est ainsi décomposée en un spectre de différentes couleurs.
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Figure N°1
Le spectre solaire regroupe deux effets. La photosphère, d'une part, comme un gaz sous haute pression au laboratoire, produit un spectre continu présentant les couleurs de l'arc-en-ciel, du rouge pour les plus grandes longueurs d'onde au violet pour les plus courtes [A]. L'atmosphère solaire, gaz sous faible pression, produit d'autre part, un spectre d'émission [B] formé de raies brillantes isolées, caractéristiques d'un corps chimique. Mais comme la lumière nous vient de la surface solaire sous forme de rayonnement, les éléments gazeux de l'atmosphère solaire absorbent certaines longueurs d'ondes; le spectre observé comporte donc des lacunes (raies sombres), les raies de Fraunhofer [voir note : a]. |
(La lumière blanche, par exemple est décomposée en " arc-en-ciel "). |
II.2. Histoire
En 1814, l'opticien allemand Joseph Von Fraunhofer [voir note : ] découvre que le spectre solaire, obtenu avec des fentes très fines, est strié de multiples raies sombres (Depuis, on en a répertorié 22000). Trois ans plus tard, il utilise le même procédé avec plusieurs étoiles brillantes et obtient aussi des raies.
En 1859, Gustav Robert Kirchheff montre que ces raies absentes du spectre sont celles qu'absorbe le gaz formant l'étoile: chaque élément chimique possède ses raies caractéristiques.
Figure N°2
Les raies du spectre solaire ont pu être répertoriées avec précision grâce au spectographe de 4 m de l'observatoire du Mont-Wilson. L'intervalle reproduit ici va de 3900 à 6900 angströms, longueurs d'onde correspondant respectivement au violet et au rouge (il y a 10 millions d'angströms par millimètre). Chaque raie peut être identifiée : les raies D, au centre du spectre, sont dues au sodium, et la raie H alpha à l'hydrogène.
L'analyse du spectre d'une étoile permet donc de connaître la composition de son atmosphère.
Dès 1864, plusieurs astrophysiciens - dont Jules JANSSEN - entreprennent des études à ce sujet.
En 1868, à l'occasion d'une éclipse de soleil, l'équipe de Jules JANSSEN et celle de l'astrophysicien Anglais Sir Joseph Norman Lockyer [voir note : d] décèlent dans son spectre, des raies inconnues, qu'ils attribuent à un élément présent seulement dans le soleil. Pour cette raison on donna à cet élément, le nom d' " Hélium ".
L'analyse du spectre de la lumière solaire à permis de recenser plus de 60 éléments dans le soleil.
II.3. Utilisation
On utilise aussi ces raies pour mesurer la vitesse des étoiles; à l'aide de l'effet Doppler [voir note : ] : la position de l'ensemble des raies sur le spectre dépend de la vitesse de l'étoile.
Les oscillations des raies permettent d'étudier les tremblements de l'étoile.
Les modifications d'intensité permettent de mesurer les changements de composition.
L'étude du spectre permet par ailleurs d'estimer la température, la pression et le champ magnétique.
II.4. A quoi sont dues les raies ?
Si un gaz est chauffé, les atomes du gaz prennent ou absorbent l'énergie calorifique. Leurs électrons sautent alors sur une orbite plus énergétique (selon les règles de la mécanique quantique [voir note : ]). Si un gaz chaud disperse son énergie dans l'espace, il le fait à partir de ses électrons qui passent sur des orbites de plus bas niveau d'énergie, en émettant de l'énergie (sous forme de lumière, par exemple).
Un électron, en changeant d'orbite, met en jeu une petite quantité d'énergie qui correspond à une certaine longueur d'onde du spectre.
Une raie du spectre caractérise donc un certain électron d'un certain type d'atome, effectuant un certain saut.
Les raies sombres d'un spectre signifient que des électrons ont absorbé de l'énergie. On parle de spectre d'absorption.
Inversement, des électrons emmettant de l'énergie produisent une raie colorée. On parle alors de spectre d'émission.
La réaction nucléaire qui a lieu au coeur du soleil, produit un spectre continu de lumière. A une altitude plus élevée, les gaz " froids " absorbent les longueurs d'onde qui leurs sont propres et qui les caractérisent.
Jules JANSSEN a étudié le spectre qui en résulte. L'atmosphère terrestre qui, elle aussi absorbe de la lumière, lui a un peu compliqué la tâche.
II.5. Les travaux de Jules JANSSEN
L'origine solaire d'une portion des raies d'absorption du spectre étant démontrée, JANSSEN étudia l'action de l'atmosphère terrestre à partir de 1862.
Il commença par rechercher les caractères qui permettent de séparer les deux systèmes de raies.
Alors que celles qui proviennent du soleil restent constamment identiques, celles de l'atmosphère terrestre varient avec l'étendue, la densité, l'état de cette atmosphère et de la hauteur du soleil dans le ciel. L'épaisseur de l'atmosphère est bien entendu le facteur le plus important : plus celle-ci est épaisse, plus les raies qui lui sont dues sont nettes.
JANSSEN a d'abord observé le spectre quand le soleil est à l'horizon, puis il s'est rendu sur une haute montagne de la Suisse, fréquemment visitée par les observateurs, le Faulhorn, et là, observant le spectre à mesure qu'il s'élevait, il a vu, qu'en effet, les raies terrestres s'affaiblissaient de plus en plus.
JANSSEN fait alors une autre expérience. Il fait allumer en un point du rivage du lac de Genève, un grand feu de sapin. Il examine la flamme de près, et observe une seule raie : celle du sodium (raie jaune). Il s'éloigne ensuite de 20 km. Il observe alors dans le spectre de la flamme, les raies caractéristiques de l'atmosphère terrestre.
Puis il remarque que l'atmosphère terrestre produit, dans le rouge, l'orangé, et le jaune, des raies dix fois plus nombreuses que les raies solaires dans ces mêmes régions. L'atmosphère du soleil fournit des raies qui dominent de beaucoup dans le vert, le bleu et le violet.
JANSSEN pense alors qu'on pourra établir une relation entre la température des atmosphères et leur mode d'action sur les spectres.
JANSSEN remarqua aussi que les raies étaient toujours plus nettes et apparentes quand l'atmosphère était plus humide. Il chercha alors la couleur du spectre de la vapeur d'eau (en particulier, il observa le spectre d'un rayon lumineux après son passage dans un long tube rempli de vapeur d'eau). Il remarqua que la vapeur laissait passer le jaune et le rouge, mais pas le violet. Il supposa donc que la vapeur d'eau émettait dans le rouge (expliquant ainsi les teintes de l'aurore).
Cette découverte est particulièrement intéressante, car elle permit de déceler la présence ou non de la vapeur d'eau (et donc la vie) sur d'autres planètes
JANSSEN étudia aussi les flammes du volcan de Santorin. Il y a trouvé du chlore, du sodium, du cuivre et surtout de l'hydrogène (30%). Ce fut la première fois que l'on établit avec une telle précision la composition des gaz éjectés par un volcan en éruption.
Le 8 mars 1867, JANSSEN observa une éclipse de soleil à Trani, sur les côtes de l'Adriatique. Cette éclipse devait lui permettre de voir les raies dues à la couronne solaire plus nettement (le reste du soleil étant occulté par la Lune). Malheureusement, la météo n'était pas avec lui : le spectre de l'auréole n'a pas été visible en raison de la trop forte illumination de l'atmosphère avant la formation de l'anneau (l'éclipse était annulaire). Il remarqua cependant que la couleur dominante de l'atmosphère était alors le vert.
Figure N°3
| Le 17 août 1868, une éclipse totale de soleil d'une durée de 6 minutes se produisit en Inde. Un phénomène exceptionnel qui ne s'était pas produit depuis 1433 disait-on. |
L'observation de cette éclipse permis à JANSSEN d'obtenir le spectre solaire avec précision. Il y découvrit des raies ne correspondant à aucun élément, et conclu qu'il devait y avoir dans l'atmosphère solaire un élément jusqu'alors inconnu sur terre : l'Hélium (d'Hélios : le soleil).
III. L'Hélium
III.1. Définition, caractéristiques
L'Hélium est un gaz monoatomique de la famille des gaz rares. Il est constitué de deux électrons et d'un noyau contenant deux protons et en général deux neutrons.
L'Hélium est totalement inerte, il n'intervient donc pas dans les réactions chimiques, et n'est pas combustible.
Il devient liquide à une température de -268,6°C à la pression atmosphérique, et se solidifie à une température de -273°C (zéro absolu) sous une pression de 25 atmosphères.
L'isotope le plus absorbant est l'Hélium 4. L'Hélium 3 qui ne contient qu'un seul neutron est stable aussi.
Les autres isotopes sont instables. La masse atomique de l'Hélium est 4,0026 u [voir note : ].
L'Hélium fut découvert en 1868 dans l'atmosphère du soleil par Jules JANSSEN et l'anglais Sir Joseph Norman Lockyer [voir note : ], et sur terre en 1895 par William Ramsay [voir note : ], dans la clévéite, un minerai d'Uranium. Heinrich Kayser démontra sa présence dans l'air.
Les noyaux d'Hélium constituent la radioactivité a .
L'Hélium a de nombreuses autres propriétés physiques (dont la superfluidité).
III.2. La place de l'Hélium dans l'univers
+ Dans le soleil :
L'Hélium constitue 20% de l'atmosphère du soleil. (Le principal constituant est l'hydrogène : 78%). Les réactions thermonucléaires qui se produisent au centre du soleil, transforment l'hydrogène en hélium.
La proportion d'Hélium dans le soleil augmente donc. D'ici 4 à 5 Milliards d'années, la quasi-totalité de l'hydrogène du soleil aura été transformé en Hélium. Le coeur du soleil va alors se tasser, tandis que les couches extérieures (qui contiennent encore de l'hydrogène) vont se gonfler, absorbant les planètes Mercure, Vénus et la Terre. La fusion nucléaire de l'Hélium commencera alors pour former du carbone, produisant le " flash de l'Hélium ". (Par analogie au flash photographique).
+ Sur la terre :
L'Hélium présent dans l'atmosphère terrestre est le résultat d'un équilibre entre l'Hélium que produit la radioactivité naturelle et celui qui s'échappe de l'atmosphère vers l'espace (l'Hélium est plus léger que l'air). Pour l'abondance, il occupe la 7ème position des gaz dans l'atmosphère.
+ Dans l'univers :
L'Hélium est (derrière l'hydrogène) l'un des éléments les plus abondants de l'univers, dont il représente 25% de la masse totale. Il est produit par les étoiles (comme dans le soleil).
Il est par ailleurs, présent dans l'atmosphère de plusieurs planètes du système solaire.
III.3. Utilisation de l'Hélium
L'Hélium est employé pour gonfler les ballons (notamment les ballons sondes); il a l'avantage d'être plus léger que l'air et ininflammable. Il est également utilisé dans les tubes d'éclairage à électroluminescence.
Il remplace parfois l'azote de l'air. (Pour la plongée sous-marine par exemple).
Son utilisation comme liquide cryogénique est la plus intéressante : c'est le gaz dont la température de liquéfaction est la plus basse sous la pression atmosphérique, ce qui est très utile aux physiciens qui l'utilisent souvent comme référence.
Les recherches sur cet élément ne sont pas terminées, notamment dans le domaine des superfluides.
IV. Les instruments d'observation de Jules JANSSEN
IV.1. L'observatoire de Meudon
C'est un établissement de recherche astronomique spécialisé dans l'astrophysique. Il fut créé en 1874 par Jules JANSSEN et implanté sur le site de l'ancien domaine royal de Meudon. Il est rattaché administrativement à l'observatoire de Paris depuis 1926. C'est l'un des centres mondiaux de documentation planétaire et de surveillance systématique des phénomènes liés à l'activité du soleil.
La grande lunette a été installée en 1891.
Elle est dotée d'un objectif de 83 cm de diamètre (3ème du monde) et de 16,3 m de longueur de focale.
IV.2. Le revolver photographique
Il a été inventé par Jules JANSSEN en 1874 pour pouvoir photographier le passage de la planète Vénus devant le soleil.
Il fut transformé en " fusil photographique ", en 1882 par Étienne Jules Marey [voir note : ].
Figure N°4
Revolver photographique de Jules JANSSEN, construit par Rédier père et fils en 1874.
V. Conclusion
Avec le début des progrès techniques, le XIXème siècle a été un tournant dans l'exploration de l'espace. Il fut le début d'une grande série de découvertes. En outre, la recherche se fait de plus en plus en équipe, elle se structure (Janssen fut l'un des éléments de cette structuration en prenant la direction de l'observatoire de Meudon) et elle est de mieux en mieux reconnue.
Longtemps limitée aux seules possibilités de la rétine humaine, l'exploration de l'univers, de l'infiniment grand comme de l'infiniment petit, commence à bénéficier, avec Jules JANSSEN des apports de la physique moderne et de ses ingénieux instruments, mais aussi de la collaboration scientifique de briantes individualités, observateurs géniaux, puis d'équipes de plus en plus intitutionnalisées.
VI. Bibliographie
- Les curiosités scientifiques de l'année 1867
Paris - Ch. Delagrave et Cie, Libr. - éditeurs
78 rue des écoles
1868 Chapître " Physique et Chimie ".
- L'Astronomie
CIL Paris, Mai 1988
- Le grand livre de l'astronomie
Deux Coq d'or, Paris 1987
- Le guide du ciel (titre original : The skywatcher's handbook)
France Loisirs, Paris 1987
- Revue " La recherche "
N°256, Juillet/Août 1993
revue mensuelle éditée par la société d'éditions scientifiques, Paris
- Sciences et Avenir
Sciences et Avenir SARL Paris
- The software toolworks ®, 1992
| MULTIMEDIA ENCYCLOPEDIA |
- Grand dictionnaire encyclopédique
Librairie Larousse 1985, Paris
- La grande encyclopédie
Librairie Larousse 1971, Paris
- L'encyclopédie AXIS
Hachette 1993, Paris
- Le Quid 1988
Ed. Robert Laffont S.A. 1987, Paris
- Notre univers
Hatier, 1980, Paris
- Encyclopédie de l'univers
Librairie Larousse 1986, Paris
VII. Notes littérales
Fraunhofer (Joseph von)
Physicien allemand (Straubing, Bavière, 1787 – Munich, 1826). Il est connu par sa contribution à l'étude des phénomènes de diffraction et d'interférences. Il inventa le spectroscope et découvrit la diffraction de la lumière par les réseaux. Diffraction de Fraunhofer: phénomène de diffraction produit à l'infini par un faisceau lumineux parallèle, après son passage à travers un trou de petite dimension. Pratiquement, on place une lentille convergente ou un objectif sur le trajet du faisceau émergent, de manière à pouvoir observer les figures de diffraction sur un écran situé à distance finie. L'étude de la diffraction de Fraunhofer trouve une importante application dans le calcul du pouvoir séparateur des instruments d'optique. V. diffraction. / Lignes de Fraunhofer: lignes sombres du spectre solaire, dues à l'absorption sélective par l'atmosphère terrestre et par la couche de gaz relativement froids qui entoure le Soleil. Ces lignes sont au nombre de 1 000 environ et Fraunhofer en découvrit plus de 500.
Doppler (Christian)
Physicien autrichien (Salzbourg, 1803 – Venise, 1853) qui a décrit
en 1842 l'effet qui porte son nom. – Effet Doppler ou Doppler-Fizeau: modification
de la fréquence apparente d'une source (sonore ou lumineuse), résultant du
mouvement relatif de la source par rapport à l'observateur. Ainsi s'explique
la variation dans la hauteur du son du sifflet d'une locomotive en mouvement
pour un observateur immobile. Ce principe s'applique à toutes les formes
d'ondes. Ce phénomène, décrit à l'aide de l'analogie sonore par Doppler,
fit l'objet d'une explication théorique par A. Fizeau en 1848. L'effet Doppler
joue un rôle important en astronomie. Il est utilisé dans certains radars
pour mesurer la vitesse des objets détectés et a par ailleurs trouvé d'importantes
applications dans le domaine de l'imagerie médicale. Élargissement Doppler:
élargissement des raies spectrales d'un rayonnement électromagnétique dû
à l'effet Doppler, les particules ionisantes de la source ayant des vitesses
variables par rapport à l'observateur en raison de l'agitation thermique.
La mécanique quantique
La mécanique quantique s'est développée dans les années 20, à partir
de l'impossibilité pour la mécanique classique de décrire (sans hypothèses
additionnelles) des phénomènes tels que le rayonnement du corps noir, l'effet
photoélectrique ou les spectres atomiques. En mécanique quantique, ondes
et particules sont deux manifestations d'une même entité plus profonde.
Lockyer (sir Joseph Norman)
Astronome britannique (Rugby, Warwickshire, 1836 – Salcombe Regis,
Devon, 1920), inventeur d'une méthode d'observation des éruptions solaires
qui n'est pas fondée sur les éclipses. En 1869, en même temps que P. Janssen
(1824-1907), il découvrit un nouveau corps dans le spectre du Soleil, l'hélium.
Il fut le fondateur de la revue scientifique Nature (1869). Ramsay (sir William)
Chimiste anglais (Glasgow, 1852 – High Wycombe, Buckinghamshire,
1916) qui est surtout connu pour avoir découvert les gaz rares dans l'atmosphère.
Il découvrit l'argon en 1894, puis le néon, le krypton et le xénon en 1898.
Pour ses travaux, il reçut le prix Nobel de chimie en 1904. En 1910, il mit
en évidence l'existence du dernier gaz rare, encore non découvert, le radon.
Marey (Étienne Jules)
Médecin, physiologiste et inventeur français (Beaune, 1830 – Paris,
1904). Ses travaux sur l'analyse du mouvement et du vol des oiseaux l'amenèrent
à mettre au point en 1888 le premier appareil de prise de vues, un chronophotographe