D’où viennent les diverses couleurs des météores ?

Les étoiles filantes et autres météores offrent un spectacle dont on ne se lasse pas. Leur origine extraterrestre fait rêver. Difficile de distinguer leurs couleurs à l’œil nu mais les photographies les révèlent : jaune, vert, bleu, violet, rouge… (Fig. 1) D’où viennent ces couleurs ? S’agit-il simplement de l’émission par les éléments métalliques du météoroïde portés à haute température par la chaleur produite lors du frottement dans les hautes couches de l’atmosphère ? La réalité est bien plus subtile, notamment parce que l’azote et l’oxygène atmosphériques interviennent également. Seule l’analyse spectrale permet d’attribuer précisément les couleurs à des espèces chimiques.

Fig. 1. Deux exemples de météores présentant diverses couleurs. En haut : Léonide photographié en 2009. Crédit : Navicore / Wikimedia Commons. En bas : Perséide photographié en 2016. Crédit : Siarakduz / Wikimedia Commons

Un peu de vocabulaire : météores, météoroïdes, météorites, étoiles filantes, bolides

En toute rigueur, un météore désigne la traînée lumineuse produite par l'entrée dans l'atmosphère d'un corps extraterrestre appelé météoroïde (fragment de comète ou d’astéroïde). Toutefois, le terme météore est souvent employé à la place de météoroïde. Si ce dernier a une taille inférieure au millimètre (issu d’une comète par exemple), il se volatilise complètement en une à deux secondes : on parle alors d’étoile filante. Pour des tailles supérieures (de 1 cm à plusieurs mètres), le terme consacré est bolide1 : il est trop petit pour atteindre le sol mais suffisamment gros pour se désintégrer lors de la pénétration dans l’atmosphère et former une traînée lumineuse qui reste visible jusqu’à 20-30 km pendant plusieurs minutes, voire plus. La traînée est d’autant plus vive et longue que l'objet est massif et que sa vitesse d’entrée dans l’atmosphère est grande. Les fragments non consumés qui parviennent jusqu’au sol sont appelés météorites.

L’altitude à laquelle un météoroïde se désintègre dépend de sa taille, de sa vitesse et de l’angle sous lequel il pénètre dans l’atmosphère. Sa désintégration se poursuit au cours de sa chute et l’altitude à laquelle un météore s’éteint dépend de ces paramètres.

D’où vient l’émission de lumière ?

La plupart des météores apparaissent aux altitudes de 80 à 110 km où la densité de l’air est suffisante pour que sa compression provoque son échauffement jusqu'à des températures de plusieurs milliers de degrés (jusqu’à 4 000 K). À de telles températures, la matière devient incandescente et émet une lumière blanche. Lors du refroidissement, la couleur devient jaune, puis orangée, et enfin rouge.2 L’incandescence n’est jamais perçue verte, et ce n’est qu’à des températures supérieures à 10 000 K que la couleur est bleutée, comme celle des étoiles les plus chaudes (les étoiles les moins chaudes sont rougeâtres et aucune étoile n’est perçue verte !)3.

La couleur verte ou bleue d’un météore ne provient donc jamais de l’incandescence mais de la luminescence, qui produit d’ailleurs bien d’autres couleurs. Rappelons que, contrairement à l’incandescence, la luminescence est étroitement liée la nature chimique des substances émettant de la lumière.2 Dans le cas des météores, il s’agit non seulement de la matière superficielle vaporisée des météoroïdes (processus appelé ablation) mais aussi des constituants de l’atmosphère (oxygène et azote).

L’échauffement est tel qu’il se forme un plasma, c’est-à-dire un mélange d’ions, d’électrons (que des atomes ou molécules ont perdus en devenant des ions positifs), et de molécules neutres. Les recombinaisons ion-électron sont suivies d’une libération du surplus d’énergie (désexcitation) qui s’accompagne d’une émission de lumière (luminescence).

Examinons maintenant l’origine des diverses couleurs dues à la luminescence après avoir remarqué que certaines d’entre elles ne peuvent pas être perçues à l'œil nu car notre système visuel ne procure une sensation colorée qu'à un niveau suffisamment élevé d’intensité lumineuse. D’où la nécessité de prendre des photographies pour capter les couleurs des météores (Fig. 1).

Couleurs liées à la nature du météoroïde

La luminescence des métaux présent dans un météroïde (magnésium, sodium, calcium, fer...) est caractéristique du métal.4 Le tableau ci-dessous recense les principales couleurs observées. Par exemple, la couleur verte intense d’un météore (Fig. 2) est le signe d’une composition riche en magnésium. Toutefois, une traînée persistante verte provient de l’oxygène atomique de l’atmosphère (voir ci-dessous).

Tableau. Origine des couleurs des météores

Fig. 2. Un météore vert (Perséide) photographié en Chine en 2018. Sa traînée a persisté pendant 30 minutes. Crédit : Dandan Huang / Apod NASA

Couleurs liées à l’oxygène et l’azote atmosphériques

Dans le plasma formé autour du météoroïde, les molécules de dioxygène (O2) et de diazote (N2) de l’atmosphère5 sont dissociées en atomes d’oxygène (O) et d’azote (N) dans un état excité. De plus, ces derniers sont ionisés, de même que des molécules de diazote. Comme indiqué précédemment, les recombinaisons ion-électron et la désexcitation sont à l’origine de la luminescence : la traînée rouge provient en général du diazote et de l’oxygène atomique. Ce dernier peut également produire une couleur verte à condition que l’altitude soit supérieure à 110 km.6 En dehors du domaine visible, signalons que l’oxygène atomique émet dans l’infrarouge, de même que l’azote atomique.

Il est important de souligner que la matière éjectée par un météoroïde se refroidit vite et cesse rapidement d’être lumineuse, alors que les traînées rouge et verte dues à l’oxygène et à l’azote peuvent persister plus longtemps. Les traînées persistantes présentées sur la figure 1 s’expliquent de cette façon.

La spectroscopie, outil indispensable pour décrypter les météores

L’observation des couleurs d’un météore, même avec un appareil photo performant, ne permet pas de déduire des informations précises sur la composition du météoroïde puisque les espèces atmosphériques apportent leur contribution. De plus, une couleur perçue peut résulter de la superposition de lumières colorées de plusieurs origines. Par exemple, la superposition de lumières rouge et verte produit du jaune, et la superposition de lumières rouge et bleue produit du pourpre. C’est pourquoi il faut recourir à la spectroscopie pour analyser la composition de la lumière en enregistrant l’intensité lumineuse en fonction de la longueur d’onde. Il est alors possible de distinguer les raies spectrales caractéristiques des éléments émetteurs et donc d’identifier ces derniers.7,8 Le déplacement rapide du météoroïde ne facilite évidemment pas les choses. Les spectres bruts doivent être calibrés et corrigés de la réponse spectrale de l’instrument. Des exemples de spectres sont donnés dans la référence 8 ainsi qu’un tableau complet des diverses raies d’émission.

Plus parlantes sont les versions colorisées de ces spectres dont la figure 3 donne des exemples. On constate que les spectres dépendent de l’âge du météoroïde.7 Les météoroïdes jeunes présentent fréquemment les raies brillantes dues au magnésium dans le vert et au sodium dans le jaune. Chez les vieux météoroïdes, la raie du sodium est souvent nettement plus faible.

Fig.3. Spectres typiques de divers météores. De haut en bas : météoroïde jeune, météoroïde vieux, météoroïde pierreux ferrifère. Versions colorisées réalisées par Bill Ward en 2017. Source : popastro.com

D’autre part, les spectres diffèrent selon la provenance.7 On doit distinguer les diverses pluies de météores (Perséides, Géminides, Léonides…)9 et les météores sporadiques. Par exemple, pour les Géminides, la raie verte du magnésium est beaucoup plus intense que la raie jaune du sodium, tandis que pour les Perséides, ces deux raies ont des intensités comparables.

En outre, l'intensité relative des différentes raies d'émission observées dans les spectres dépendent de plusieurs facteurs : la taille et la composition du météoroïde lui-même, la vitesse à laquelle il pénètre dans la haute atmosphère, l'altitude à laquelle se produit la vaporisation, les variations locales de la composition des fragments issus de la comète ou de l'astéroïde. Parmi ces facteurs, difficile de connaître les plus significatifs, d’autant qu’ils ne sont pas tous indépendants les uns des autres : les particules les plus rapides et les plus grosses atteignent des altitudes plus basses que les petites particules plus lentes.

En conclusion, les couleurs des météores sont variées et ont une origine complexe. Elles ne sont pas la simple “signature spectrale” des atomes métalliques des météoroïdes. Elles dépendent de l’importance relative de l’émission par ces atomes et de l’émission par l’azote et l’oxygène atmosphériques. Seule l’analyse spectrale permet un décryptage sans ambiguïté.

Références et notes

1Bolide, Wikipedia

2B. Valeur, Lumière et luminescence. Ces phénomènes lumineux qui nous entourent, Belin, 2017 (2e éd.).

3Voir le billet du 19.10.2018, “Couleur et température : une relation particulière… et paradoxale”.

4Cette situation s’apparente à celle des sels métalliques introduits dans une flamme. Par exemple, le sel de cuisine (chlorure de sodium) produit la couleur jaune caractéristique du sodium. Voir réf. 2.

5À des altitudes de 80-110 km (où apparaissent les météores), le dioxygène et le diazote sont majoritaires. Il faut atteindre des altitudes nettement plus élevées pour observer des quantités significatives d’oxygène atomique résultant de la dissociation du dioxygène par les UV. Voir : J. Lilensten, “La haute atmosphère”, Encyclopédie de l’environnement, 2018.

6La couleur verte résulte d’une transition électronique de l’oxygène à 557,7 nm qui est interdite. Elle est néanmoins visible si l’altitude est supérieure à 110 km car le parcours moyen des atomes est alors suffisamment long pour que la transition se produise avant le retour forcé par collisions (processus appelé “quenching”).

7Meteor spectroscopy, popastro.com

8V. Vojáček et al., “Catalogue of representative meteor spectra”, Astronomy & Astrophysics, vol. 580, A67, 2015. DOI: 10.1051/0004-6361/201425047

9Pluies de météores, Wikipedia

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