Pourquoi pouvons-nous voir des galaxies vertes mais jamais d’étoiles vertes ?

Les innombrables images transmises par les agences spatiales sont riches en vert, mais attention, il s’agit le plus souvent de fausses couleurs. Si le ciel nocturne se met fréquemment au vert (aurores polaires, airglows, météores, comètes : voir le billet précédent1), le vert est rare au-delà du système solaire. Nous ne voyons en effet jamais d’étoiles vertes bien que de rares galaxies apparaissent vertes (Fig. 1). Surprenant n’est-ce pas, puisque les galaxies sont essentiellement constituéesd’étoiles ! Voyons la raison de ce paradoxe.

Fig. 1. Aucune étoile verte n’est perçue sur cette image en vraies couleurs du cœur de la Voie lactée (à gauche). Pourtant des galaxies apparaissent vertes, comme la galaxie J0113+0106 (à droite). Crédits : NASA, ESA, T. Brown (STScI) – Meli thev / Wikimedia Commons

Le Soleil n’apparaît jamais vert… à l’exception du furtif « rayon vert »

Commençons par le Soleil. Question classique : quelle est sa couleur ? Jaune est la réponse la plus fréquemment donnée. En fait, en s’affranchissant de tout effet de l’atmosphère, ce que fait un astronaute regardant le Soleil depuis un vaisseau spatial, la réponse est blanc (Fig. 2).

Fig. 2. Photographie du Soleil prise par l’astronaute Terry W. Virts en juin 2015. Source : cosmic-watch.com. Crédit : NASA.

En regardant le Soleil à travers un prisme qui décompose la lumière (dispersion par le phénomène de réfraction), un astronaute distingue toutes les couleurs dites de l’arc-en-ciel (Fig. 3), car ce sont précisément celles que l’on voit dans un arc-en-ciel qui résulte de la dispersion de la lumière par un ensemble de gouttelettes d’eau. La sensation globale de blanc que le cerveau procure provient donc de l’incapacité de notre système visuel à discriminer les diverses longueurs d’onde constitutives de la lumière que l’œil reçoit : ces longueurs d’onde donnent séparément des sensations colorées allant du violet au rouge mais leur superposition sur la rétine conduit à une sensation de blanc (Fig. 3). En outre, l’intensité du Soleil est maximale dans le vert (Fig. 4) et le maximum de sensibilité de l’œil humain se situe également dans le vert (note). Malgré cela, nous ne voyons pas le Soleil vert, ni verdâtre, parce que l’œil est comme une palette qui mélange les couleurs.

Fig. 3. Le Soleil vu par un astronaute au-dessus de l’atmosphère terrestre apparaît blanc. La décomposition de la lumière solaire par un prisme fait percevoir les couleurs correspondant aux diverses longueurs d’onde constitutives. © Bernard Valeur

Fig. 4. Spectre du rayonnement solaire au-dessus de l’atmosphère et au niveau de la mer. La courbe en pointillés représente l’émission du corps noir à 5 900 K (voir texte). Adaptation d’une figure du site i.stack.imgur.com

Qu’en est-il de la couleur du Soleil vu depuis le sol terrestre ? Elle est quasiment blanche quand il est au zénith, même si le spectre est modifié par l’absorption et la diffusion par les constituants de l’atmosphère avec un maximum restant toutefois situé dans le vert (Fig. 4). Quand le Soleil décline vers l’horizon, il apparaît de plus en plus jaune, puis orangé, voire rouge, avant de disparaître. C’est parce que son rayonnement traverse une épaisseur de plus en plus grande d’atmosphère, ce qui l’appauvrit en radiations violette et bleue. En effet, les molécules constitutives de l’atmosphère et les très fines poussières diffusent efficacement les courtes longueurs d’onde (diffusion Rayleigh).2

Dans des circonstances exceptionnelles, le Soleil fait percevoir furtivement sa composante verte, juste avant de disparaître sous l’horizon. C’est le fameux rayon vert dont l’apparition fugace (green flash en anglais) résulte du fait que l’atmosphère joue le rôle d’un prisme géant et sépare les diverses composantes de la lumière solaire.2 Le bleu et le violet sont éliminés par la diffusion de la lumière, et parmi les composantes restantes, le vert est le dernier à disparaître (Fig. 5).

Fig. 5. Le rayon vert est dernière lueur émanant du Soleil avant que celui-ci ne disparaisse sous l’horizon. Crédit : Brocken Inaglory / Wikimedia. Source : discover-central-california.com

Pourquoi ne voyons-nous jamais d’étoiles vertes ?

L’émission des étoiles résulte du phénomène d’incandescence dont il faut rappeler l’essentiel en quelques mots (pour en savoir plus, voir la réf. 2). Pour caractériser précisément l’émission des objets incandescents, les physiciens ont défini un corps de référence qu’ils ont baptisé corps noir: c’est un corps idéal capable d’absorber intégralement toutes les radiations électromagnétiques, quelles que soient leurs longueurs d’onde. À température ordinaire, il apparaît donc noir. Lorsqu’il est chauffé, il émet un rayonnement dont le spectre est une courbe en cloche qui dépend exclusivement de la température. Quand celle-ci augmente, l’intensité croît et le maximum d’émission se déplace vers les courtes longueurs d’onde (Fig. 6). En conséquence, la sensation colorée que nous avons en regardant un corps incandescent dépend de sa température.3

Fig. 6. Spectres de la lumière émise par un corps incandescent idéal (corps noir) à diverses températures. Adaptation d’une figure du site exo.net.

Concernant les étoiles, l’émission de lumière par leur photosphère (couche externe) suit approximativement celle du corps noir (voir le cas du Soleil sur la figure 4). Lorsque nous observons les étoiles dans un télescope, celles-ci apparaissent avec des nuances de couleurs qui dépendent de leur température de surface. Les étoiles les plus chaudes apparaissent bleutées (température > 10 000 K) comme par exemple Rigel (11 000 K). Les moins chaudes sont rougeâtres (température < 3 000 K) comme Bételgeuse (3 500 K). À des températures de l’ordre de 6 000 K, la sensation colorée est quasiment blanche car toutes les longueurs d’onde auxquelles notre système visuel est sensible sont présentes ; c’est le cas du Soleil (5 800 K). Le blanc tire vers le jaune à des températures inférieures, ou vers le bleu à des températures supérieures3… mais jamais une nuance de vert n’est perçue. La figure 7 montre des exemples de spectres d’étoiles, le classement de celles-ci selon leur température de surface ainsi que les images colorées que le cerveau nous procure.

Fig. 7. Classement des étoiles selon leur température de surface avec mise en correspondance des sensations colorées que le cerveau humain procure. Des exemples de spectres d’étoiles sont présentés sur la partie gauche (les raies noires proviennent de l’absorption de la lumière par divers éléments). Source des spectres : chegg.com

En conséquence, il ne faut pas dire « les étoiles vertes n’existent pas » mais « nous ne voyons jamais d’étoiles vertes » – en raison de l’incapacité de notre système visuel à distinguer la composante verte de la lumière des étoiles. On ne répétera jamais assez que la couleur est une sensation physiologique spécifique de l’observateur. Il est bien connu que les animaux ne voient pas les couleurs comme nous.4 Par exemple, les chats, les chiens, les abeilles, etc., ont des yeux insensibles dans le domaine que nous dénommons rouge : les étoiles les plus froides ne leur apparaissent donc pas rougeâtres. De plus, les abeilles perçoivent les UV, et donc en particulier ceux émis par les étoiles, avec une sensation colorée que nous ignorons !

De rares galaxies vertes !

Les galaxies sont généralement classées en deux grandes familles selon la couleur dominante des étoiles qui les composent : les bleues et les rouges.

  • Les galaxies bleues sont essentiellement constituées de jeunes étoiles massives qui apparaissent bleutées du fait de leur température de surface très élevée. Leur luminosité est si grande qu’elle empêche de voir les étoiles de couleur rouge, orangé et jaune.
  • Les galaxies rouges contiennent principalement de vieilles étoiles, moins massives, dont la couleur rougeâtre ou orangée est le signe d’une température de surface relativement basse. Elles se sont formées il y a trop longtemps pour contenir des étoiles bleutées dont la durée de vie est trop courte pour qu’on puisse les observer.

Il existe par ailleurs de rares galaxies qui nous apparaissent vertes !5 C’est surprenant « à première vue » puisque nous ne voyons jamais d’étoiles vertes (voir ci-dessus). Alors quel phénomène est à l’origine de ces lueurs vertes ? Il ne s’agit plus d’incandescence mais de luminescence2 : c’est en effet l’oxygène6 qui est responsable de cette émission et plus précisément l’oxygène doublement ionisé O2+ (suite à l’éjection de deux électrons).7 Les raies d’émission se situent à 500,7 nm et à 495,9 nm, ce que nos yeux perçoivent de couleur vert émeraude.

L’abondance d’oxygène doublement ionisé s’explique par la présence d’un très grand nombre d’étoiles très chaudes (température d’au moins 50 000 K) dont le rayonnement UV est suffisamment intense pour provoquer la double ionisation des atomes d’oxygène. Il s’agit donc de jeunes galaxies où de nombreuses étoiles sont en formation. Elles apparaissent au télescope sous une forme qui a conduit à les dénommer galaxies Pois vert (Green pea galaxies) lors de leur découverte en 2007 (Fig. 8).

Fig. 8. Image de la galaxie Pois vert (Green pea) J0925+1403 transmise par le télescope spatial Hubble. Son diamètre est d'environ 6 000 années-lumière, et elle est environ vingt fois plus petite que la Voie lactée. Crédit : NASA. Source : news.virginia.edu

L’étude de ces galaxies vertes est d’une importance majeure5 car elles pourraient avoir joué un rôle dans la réionisation de l'Univers qui s’est produite à une époque très éloignée (approximativement entre 150 et 800 millions d’années après le Big Bang). C’est l’époque où le rayonnement des premières étoiles très massives a commencé à illuminer l’Univers et à ioniser les atomes neutres qui s'étaient formés auparavant par recombinaison des ions et des électrons.8

Signalons un nouveau type de galaxie verte extrêmement rare qui a été découvert en 2012 : les galaxies Haricot vert (Green bean galaxies).9 Elles sont plus grandes que les précédentes mais l’origine de la couleur verte est identique : l’émission de l’oxygène doublement ionisé (Fig. 9). Toutefois, l’ionisation est cette fois due aux rayons X provenant de la région qui entoure le trou noir central de ces galaxies.

Fig. 9. Exemples de galaxies Haricot vert (Green bean): J2050, J2135, J2202, J2240 et J2308. Crédit : M. Schirmer. Source : sci-news.com

En conclusion, la lumière qui nous vient de l’espace, au-delà du système solaire, n’est perçue verte par nos yeux que dans de rares situations : les galaxies vertes, décrites ci-dessus, auxquelles il faut ajouter les filaments verts apparaissant dans certaines galaxies10 ainsi que des nébuleuses planétaires11. Il s’agit dans tous les cas de la luminescence de l’oxygène doublement ionisé par des rayons UV ou X. Quant à la composante verte de la lumière des étoiles, elle ne peut pas être perçue séparément par nos yeux malgré son intensité souvent élevée. La largeur du spectre des étoiles et la perception des couleurs propre au système visuel humain en sont les raisons.

Imaginez un instant un extraterrestre – pourquoi pas un “petit homme vert” ! – dont le système visuel discrimine les longueurs d’onde de la lumière et perçoit donc séparément les composantes de celle-ci, en particulier celle correspondant à ce que nous, humains, dénommons verte. Si vous lui dites que les étoiles vertes n’existent pas, il pensera : ils sont fous ces humains !

Références et notes

1Billet du 21.05.2022, “Quand le ciel nocturne se met au vert ”.

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”.

4Voir le billet du 06.01.2019, “Sait-on comment les animaux voient en couleurs” – B. Valeur, É. Bardez, La lumière et la vie. Une subtile alchimie, Belin, 2016, chap. 3.

5“Green pea galaxy provides insights to early universe evolution”, news.virginia.edu

6L’oxygène est le troisième élément le plus abondant dans l’Univers. Il représente un pourcentage en masse de 1 % de tous les atomes.

7“Doubly ionized oxygen”, Wikipedia. Les raies d'émission à 500,7 nm et 495,9 nm ont été découvertes pour la première fois dans les spectres de nébuleuses planétaires dans les années 1860.  À l'époque, on pensait qu'elles étaient dues à un nouvel élément que l’on nomma nébulium. En 1927, Ira Sprague Bowen en donna la véritable origine : l'oxygène doublement ionisé.

8 “La réionisation de l’Univers”, astronomes.com

9“Astronomers identify new galaxy class – green bean galaxies”, sci-news.com

10E. Siegel, “This is why some galaxies have a green glow, even though there are no green stars”, forbes.com

11“ESO's VLT images the planetary nebula IC 1295”, eso.org

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