Pourquoi les étoiles scintillent-elles lorsqu'on les observe depuis la Terre ?

Lorsque les étoiles semblent clignoter dans le ciel nocturne, leur lumière ne varie généralement pas de cette manière au moment où elle est émise. Le scintillement est principalement un effet produit par le trajet de cette lumière dans l’atmosphère terrestre. Avant d’atteindre l’œil ou un télescope installé au sol, les rayons lumineux traversent des couches d’air en mouvement, dont la température, la densité et l’indice de réfraction varient. Ces variations déforment rapidement le front d’onde et donnent aux étoiles une apparence instable, parfois blanche, bleutée ou rougeâtre.

Une lumière déviée par l’atmosphère

L’atmosphère n’est pas parfaitement homogène. Les mouvements de convection et les différences de température créent des zones d’air dont les propriétés optiques ne sont pas exactement les mêmes. Lorsque la lumière d’une étoile traverse ces zones turbulentes, elle est légèrement déviée dans des directions qui changent au cours du temps. La quantité de lumière qui parvient directement jusqu’à l’observateur varie alors rapidement : l’étoile paraît s’éclaircir, s’assombrir ou changer légèrement de position. En astronomie, cet effet de flou et d’instabilité lié à l’atmosphère est souvent associé à la qualité du « seeing ». Il est fréquemment plus marqué lorsque l’étoile est basse sur l’horizon, car sa lumière traverse une plus grande épaisseur d’atmosphère. Une nuit dégagée n’est donc pas nécessairement une nuit où l’air est peu turbulent : l’absence de nuages et la stabilité atmosphérique sont deux choses différentes.

Pourquoi la couleur semble également varier

Le scintillement ne concerne pas seulement la luminosité. L’atmosphère réfracte les différentes longueurs d’onde de la lumière de façon légèrement différente. Les composantes bleues, vertes et rouges ne suivent donc pas exactement le même trajet lorsqu’elles traversent les zones turbulentes. Pour l’observateur, ces variations rapides peuvent produire de petits éclats colorés, particulièrement visibles sur les étoiles brillantes et lorsqu’elles se trouvent près de l’horizon. Cette alternance de couleurs ne signifie pas que l’étoile modifie réellement sa température ou sa couleur en quelques instants ; elle résulte de la propagation de sa lumière dans l’atmosphère terrestre.

Pourquoi les planètes scintillent beaucoup moins

Les étoiles sont si lointaines qu’elles apparaissent à l’œil nu comme des points lumineux, même lorsqu’elles possèdent un diamètre considérable. La lumière reçue provient ainsi d’une très petite région apparente du ciel, ce qui rend les fluctuations atmosphériques facilement perceptibles. Les planètes, elles, présentent un disque apparent plus étendu. Les rayons provenant de différentes parties de ce disque sont affectés de manière différente par la turbulence, puis leurs variations se compensent en partie lorsqu’elles sont perçues ensemble. C’est pourquoi Jupiter, Saturne ou Vénus semblent généralement briller d’une manière plus stable que les étoiles. Cette distinction n’est toutefois pas absolue : une planète très basse sur l’horizon, dans une atmosphère fortement turbulente, peut elle aussi montrer une certaine instabilité lumineuse.

Observer les étoiles sans l’atmosphère

La scintillation constitue une limite pour les observations réalisées depuis le sol. Les observatoires terrestres peuvent réduire ses effets en choisissant des sites élevés et en utilisant l’optique adaptative, un dispositif qui mesure les déformations produites par la turbulence et les compense en temps réel grâce à un miroir déformable. Cette technique améliore surtout la netteté des images, sans supprimer nécessairement toutes les variations de luminosité liées au passage de la lumière dans l’atmosphère. Une autre solution consiste à placer le télescope au-dessus de l’atmosphère. Les télescopes spatiaux, comme Hubble, observent ainsi les étoiles sans cette distorsion atmosphérique, ce qui permet d’obtenir des images plus stables et plus détaillées.