Pourquoi les étoiles scintillent (et pas les planètes)

Une nuit d'hiver, juste au-dessus des toits, un point lumineux clignote en rouge, puis en vert, puis en bleu. Il tremble, il change de couleur, il semble presque bouger. Plus d'un témoin a appelé ça un ovni. C'est Sirius, l'étoile la plus brillante du ciel nocturne. Et ce qu'on voit danser n'est pas l'étoile : c'est notre propre atmosphère.

Les étoiles scintillent parce que leur lumière traverse des couches d'air turbulentes qui la dévient sans arrêt, un peu comme le fond d'une piscine vu à travers des vagues. Une étoile est si lointaine qu'elle n'est qu'un point : chaque remous d'air suffit à la faire vaciller. Une planète, elle, montre un minuscule disque, et ce disque lisse les remous. Voilà toute l'astuce. Le reste, c'est le détail qui rend le phénomène beaucoup plus intéressant que la comptine.

Pourquoi les étoiles scintillent-elles la nuit ?

Commençons par ce qui ne bouge pas. La lumière d'une étoile voyage pendant des années, parfois des siècles, en ligne parfaitement droite dans le vide. Rien ne la perturbe. Puis, dans les derniers kilomètres, elle entre dans l'atmosphère terrestre. Et là, tout se complique.

L'air n'est pas un bloc homogène. C'est un empilement de poches plus chaudes et plus froides, plus ou moins denses, plus ou moins humides, brassées par le vent. Or la lumière change légèrement de direction chaque fois qu'elle passe d'un air à un air de densité différente : c'est la réfraction, le même phénomène qui fait paraître brisée une paille plongée dans un verre d'eau. Chaque poche d'air agit comme une petite lentille ratée, qui dévie le rayon d'un côté puis de l'autre.

Ces lentilles se déplacent et se déforment en une fraction de seconde. Le faisceau qui arrive dans votre œil est donc tantôt concentré, tantôt dispersé, tantôt légèrement décalé. Résultat : l'étoile paraît plus brillante, puis plus faible, puis elle se déplace un peu. Les astronomes appellent ça la scintillation, du latin scintilla, l'étincelle. Les déviations en jeu sont minuscules, quelques secondes d'arc, alors que la pleine Lune en mesure environ 1 800 d'un bord à l'autre. Mais pour un point lumineux, c'est assez pour clignoter.

Le scintillement n'est pas une propriété des étoiles. C'est la signature de l'air que nous respirons.

Pourquoi les planètes ne scintillent pas comme les étoiles ?

C'est le vieux truc des astronomes amateurs : un point qui clignote est une étoile, un point qui brille d'une lumière fixe est probablement une planète. Pourtant, la lumière de Vénus ou de Jupiter traverse exactement la même atmosphère. Alors pourquoi reste-t-elle stable ?

Tout est une question de taille apparente. Même les étoiles les plus « grosses » vues depuis la Terre restent des points. La championne en la matière, R Doradus, mesure environ 57 millièmes de seconde d'arc ; Bételgeuse, la géante rouge d'Orion, environ 45. Aucun œil humain ne peut distinguer un tel disque. Jupiter, en revanche, s'étale sur plusieurs dizaines de secondes d'arc, soit de l'ordre de mille fois plus que Bételgeuse. Mars, plus petite et plus lointaine, n'en fait que quelques-unes, mais c'est déjà un disque.

Or un disque, c'est une foule de points. Chaque petite zone de la planète envoie son propre rayon, qui traverse sa propre poche d'air. Quand un rayon faiblit, un autre se renforce. Les fluctuations se compensent et la moyenne reste à peu près constante. L'étoile, elle, n'a qu'un seul rayon à offrir aux caprices de l'air. Pas de moyenne possible.

Attention au mythe inverse, qui voudrait qu'une planète ne scintille jamais. C'est faux. Par nuit de forte turbulence, ou quand une planète est très basse sur l'horizon, elle peut elle aussi trembloter. Mars, avec son petit disque, est la première à se trahir. La règle « étoile qui clignote, planète qui ne clignote pas » est une bonne heuristique, pas une loi de la nature.

Pourquoi une étoile change de couleur près de l'horizon ?

Revenons à Sirius et à son spectacle multicolore. Deux effets s'additionnent. Le premier, c'est l'épaisseur d'air traversée. Une étoile au zénith, juste au-dessus de votre tête, envoie sa lumière à travers une centaine de kilomètres d'atmosphère. Une étoile qui vient de se lever, rasante, doit traverser une couche bien plus épaisse, plus de dix fois plus selon l'astronome Phil Plait dans Scientific American. Plus d'air, c'est plus de poches turbulentes, donc un scintillement beaucoup plus fort.

Le second effet est plus subtil. L'air ne dévie pas toutes les couleurs de la même façon : le bleu est un peu plus réfracté que le rouge. C'est la dispersion, le principe du prisme. Près de l'horizon, sur un trajet aussi long, ce léger écart suffit à séparer les couleurs de l'étoile en petits faisceaux qui ne passent plus exactement par les mêmes poches d'air. Pendant un instant, c'est le rouge qui atteint votre œil ; l'instant d'après, le vert. Sirius, une étoile blanc bleuté, se met à clignoter comme une guirlande.

Ce n'est pas un hasard si Sirius est la reine des faux ovnis. Elle est très brillante, elle se lève bas sur l'horizon en hiver dans l'hémisphère nord, et elle cumule les deux effets. Si vous voulez la voir faire son numéro, regardez-la juste après son lever. Avec des jumelles, c'est encore plus spectaculaire.

D'Aristote à Newton : qui a compris le scintillement ?

L'observation est vieille comme l'astronomie. Aristote, au IVe siècle avant notre ère, note déjà dans son traité Du ciel que les étoiles scintillent et pas les planètes. Son explication, en revanche, est fausse, et elle est savoureuse. À l'époque, on pensait que l'œil émettait un rayon visuel vers les objets. Selon Aristote, les planètes sont proches, donc ce rayon les atteint « dans toute sa vigueur » ; les étoiles fixes sont si lointaines que le rayon arrive épuisé et tremblant. Le scintillement venait donc de nos yeux. Bonne observation, mauvaise physique.

Il faut attendre le XVIIe siècle pour que la cause soit replacée dans l'air. Robert Hooke en parle dans sa Micrographia en 1665, puis Isaac Newton dans son Opticks en 1704. Newton comprend surtout la conséquence pratique : l'air tremblant brouille les images des télescopes, et aucune lunette, si parfaite soit-elle, n'y échappera. Dans une édition de 1730, il propose le seul remède qu'il entrevoit : « un air très serein et tranquille, comme on en trouve peut-être au sommet des plus hautes montagnes, au-dessus des nuages les plus grossiers ».

Le conseil était visionnaire. En 1856, l'astronome écossais Charles Piazzi Smyth passe près de quatre mois sur l'île de Tenerife, aux Canaries, pour prouver qu'observer en altitude donne des images plus nettes. Aujourd'hui, les grands observatoires sont perchés sur des sommets, au Chili, à Hawaï ou justement aux Canaries. Et pour les télescopes géants, on est allé plus loin : l'optique adaptative mesure la turbulence en temps réel et déforme un miroir en continu pour la corriger. Le télescope spatial Hubble, lui, a réglé le problème à la racine : au-dessus de l'atmosphère, plus rien ne scintille.

Peut-on lire la météo dans le scintillement des étoiles ?

Pour un astronome, le scintillement est une nuisance. Pour d'autres, c'est une information. Une étude publiée en 2019 par Duane Hamacher et trois coauteurs décrit comment les Meriam du détroit de Torres, entre l'Australie et la Nouvelle-Guinée, observent la façon dont les étoiles scintillent pour anticiper le changement des alizés, l'arrivée de la pluie ou les variations de température. L'étude évoque aussi les Dénés du Grand Nord américain, qui utilisent le même indice.

C'est parfaitement logique. Un scintillement intense signale un air agité, des vents en altitude, des masses d'air de températures différentes qui se mélangent. Autrement dit, la météo qui se prépare. Ce que les télescopes cherchent à effacer, ces observateurs le lisent comme un bulletin. Le même phénomène, deux usages opposés.

Ce qu'un point qui clignote raconte

La prochaine fois qu'une étoile vous fait de l'œil, souvenez-vous que sa lumière a voyagé sans encombre pendant des années, et que tout ce tremblement s'est joué dans les derniers kilomètres, au-dessus de votre tête. Le scintillement relie l'optique de Newton, la météo des insulaires du détroit de Torres et les miroirs déformables des plus grands télescopes. Si l'atmosphère vous intrigue, elle explique aussi pourquoi le ciel est bleu le jour, et elle a nourri un autre mythe spatial tenace, celui de la Muraille de Chine visible depuis l'espace.

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