Détecter l’infrarouge

Friedrich Wilhelm Herschel est né en 1738 à Hanovre en Allemagne ; il fut naturalisé anglais en 1793 et pris le nom de William Herschel. Il quitta son pays à l'age de 18 ans pour rejoindre l'Angleterre où il enseigna la musique dans la ville de Bath. Il était joueur compositeur de hautbois et vivait exclusivement de sa musique.

L'expérience d'Herschel

En 1773, Herschel s'intéressa à l'astronomie et acheta les outils qui lui permirent de fabriquer son premier télescope. Il consacra les années qui suivirent à la construction de télescopes et à l'observation du ciel nocturne. Herschel est aujourd'hui connu pour son télescope de 12 m de longueur focale (le plus grand à l'époque), pour sa découverte de la planète Uranus, pour son catalogue d'étoiles doubles et bien sûr pour sa découverte du rayonnement infrarouge. Pendant toute sa carrière d'astronome au service du Roi George III d'Angleterre, il travailla avec sa soeur, Caroline Herschel, qui était son assistante et l'aidait dans son exploration systématique du ciel. Caroline Herschel était également une observatrice chevronnée; elle découvrit de nombreuses comètes et publia elle aussi un catalogue d'étoiles doubles.

À GAUCHE - Principes de l’expérience de William Herschel pour mesurer l’infrarouge.
À DROITE - Spectre du rayonnement calorifique mesuré par Herschel en 1800. La zone sombre délimitée par le périmètre ASQA correspond au rayonnement invisible absorbé par le thermomètre d'Herschel en fonction de la couleur calorifique, i.e. de l'angle de réfraction. La zone vide comprise dans le périmètre GRQG représente le pouvoir d'illumination de la lumière visible, c'est d'après Herschel la capacité qu'une couleur a d'illuminer les objets.
Crédits : Herschel, 1800, Philosophical Transactions vol. 45

Durant une courte période de sa vie, quelques mois de l'année 1800, Herschel étudia le spectre solaire et découvrit l'existence du rayonnement infrarouge qu'il appela la chaleur radiative. Herschel utilisa un prisme de verre pour diffracter la lumière du Soleil et plaça trois thermomètres sur une table sur laquelle se projeta le spectre solaire. Deux de ces thermomètres furent utilisés comme étalons pour mesurer les variations de la température ambiante. Il déplaça le troisième thermomètre pour mesurer l'élévation de température associée à chacune des couleurs prismatiques. Il s'aperçut alors que la température continua à augmenter alors que le thermomètre eut déjà dépassé le spectre visible du côté de la couleur rouge. Herschel venait de détecter pour la première fois le rayonnement infrarouge émis par le Soleil.

Les instruments de mesures de nos jours

Aujourd’hui on détecte l’émission infrarouge avec des caméras thermiques qui enregistrent les différents rayonnements infrarouges émis par les corps. Elles reproduisent la température emmagasinée par un corps (ex : un mur de pierre en été), ou montre le flux thermique d'une paroi en raison d’un foyer se trouvant à l’arrière. C’est une imagerie thermique directe du corps observé contrairement à ce qu’on voit dans le visible ; nos yeux reçoivent la lumière d’une source intense (Soleil, lampe) qui est réfléchie par un corps et non pas émis directement par celui-ci. Pour obtenir des images infrarouges, différentes technologies pour les détecteurs sont utilisées. Celles-ci ne cessent de progresser. Citons néanmoins quelques exemples de détecteurs. Un premier type de détecteur utilise la conversion directe photovoltaïque des photons en paires électron-trou dans un semi-conducteur. C’est le même principe que pour les cellules solaires qui produisent de l’électricité. Une particule de lumière, un photon, provoque un courant d’électrons ou courant électrique, au contact du semi-conducteur. Ce dernier peut être fabriqué à partir de silicium et de gallium. Le cristal le plus utilisé et le plus performant pour le semi-conducteur est le tellurure de mercure et de cadmium (HgCdTe). Une autre technique de détecteurs est celle des micro-bolomètres. En astronomie, cette technique est adoptée quand le photon n’est pas assez énergétique pour arracher des électrons et générer un courant électrique dans les cellules photovoltaïques. Ces microbolomètres sont constitués d’une lamelle extrêmement fine qui joue le rôle de thermomètre du rayonnement. Ce sont donc des détecteurs thermiques. L’énergie reçue chauffe le thermomètre et fait varier sa résistance électrique. Des variations de températures sont ainsi converties en variations électriques qui sont à leur tour mesurées. On remonte ainsi à la puissance incidente. Ce type de bolomètres équipe le télescope spatial Herschel ainsi que des télescopes au sol.

Plan focal de 2 048 pixels du détecteur infrarouge à microbolomètres du télescope PACS de la mission Herschel réalisé par le Leti.
Il permettra l'observation dans la plage 60-210 μm de l'infrarouge lointain (émission du corps noir entre 14 K et 50 K).
Crédit : Artechnique/CEA-Leti