L'œ il - Club des astronomes amateurs de Laval · une comparaison entre la couleur de l'objet et celles de son environnement : l’ intensité ... endroit de la rétine où l'image

Clin d'oeil sur la couleur

CCSTI-Musée des Sciences Expo-Doc 1

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La vision des couleurs est un phénomène psychophysiologique naissant des informations

colorées reçues par l'œil et interprétées par le cerveau.

L'œil :

L'œil capte et véhicule la lumière provenant du monde extérieur jusqu'au cerveau qui

construira à partir de ces signaux une image colorée.

La rétine est la partie de l'œil sensible à la lumière. C'est une fine membrane qui tapissele fond de l'œil composée de cellules qui réagissent à la lumière.

Les cellules photosensibles sont de deux sortes, les cônes et les bâtonnets, capables

d'envoyer des signaux nerveux vers le cerveau.

Cônes et bâtonn ets :

Les cônes sont les cellules de la rétine sensibles à la lumière qui permettent d'interpréterla couleur. Il en existe 5 millions sur la surface de la rétine.

Ils peuvent être de 3 types, préférentiellement sensibles au bleu, jaune ou rouge. Leurspécialisation aux différentes couleurs est due à la présence de pigments dans cescellules : 3 types de pigments absorbent des radiations lumineuses selon des longueursd'onde différentes, courtes, moyennes ou longues.

A l'image de ce qu i se passe s url'écran de télévision ou chezl'imprimeur, ces 3 c ou leurs plusou moins sollicitées permettentde percevoir l'ensemble descou leurs.

Les informations visuelles reçues sont

véhiculées sous forme de signaux

électriques rassemblés dans le nerf

optique : plus de 800 000 fibres nerveuses

relient la rétine au cerveau.



Les bâtonn ets, l'autre type de cellules rétiniennes, sont particulièrement sensibles à lalumière et sont spécialisés dans la vision à faible éclairage. En effet, leur colorant, larhodopsine blanchit à la lumière du jour. Cependant ils ne permettent pas la vision encouleur et on remarque que la nuit, tout objet paraît gris.

Dans tous les cas , les cellules de la rétine réagissent chimiquement à la réception

de la lumière puis les informations sont t ransformées en signaux électriques

nerveux envoyés v ers le cerveau.

Le cerveau interprète :

Le nerf optique rassemble les informations provenant de la rétine puis les envoie pouranalyse et interprétation vers des parties spécialisées du cerveau.

Les informations perçues par l'œil gauche sont analysées par l'hémisphère droit du

cerveau et inversement pour l'œil droit.

C'est à l'arrière de notre cerveau qu'est interprétée la vision : on l'appelle le cortex v isuelet il représente 1/3 de la surface du cerveau. Il est divisé en différentes parties appeléesaires qui ont chacune une fonction précise dans l'interprétation des images.

120 milli ons de bâtonnetstapissent la rétine.

Même si les connaissances actuellesn'ont pas permis de comprendreexactement le fonctionnement del'interprétation de la vision descouleurs, on peut essayer de définir laspécialité de chaque aire :

• aire v4 perçoit les cou leurs• aire v5 perçoit le mouvement

mais pas les cou leurs• aire v3 analyse la forme

(CF Schéma suivant)



Différentes régions du cerveau coopèrent pour reconnaître la couleur et la comprendre.

Les grandes caractéristiques des images sont traitées en parallèle : le mouvement, la

couleur, la forme analysée en 2 temps.

Les informations concernant les couleurs sont envoyées dans l'aire V4 du cerveau. Puis,

les informations analysées reviennent vers les aires V1 et V2 qui fonctionnent comme des

casiers où les signaux sont rassemblés et envoyés vers des aires plus spécialisées.

Anomalies de la vision d es cou leurs :

au n iveau du cerveau : Si le cortex est endommagé au niveau de l'aire V4, la personnene peut plus percevoir les couleurs, le monde extérieur n'est perçu qu'en niveaux de gris.On parle d'achromatopsie.

Si c'est l'aire V5 qui est endommagée, la personne est atteinte d'akinétopsie et ne perçoitplus le mouvement.

dalton isme : D'autres anomalies de la vision peuvent être dues à l'absence de certainescellules au niveau de la rétine : les daltoniens ne possèdent que 2 types de cônes nepermettant pas la vision de toutes les couleurs. Ils ne distinguent pas la couleurcorrespondant au pigment manquant. Cette anomalie d'origine génétique touche 8% deshommes et 1% des femmes.

Il existe 2 sortes de daltoniens qui ne voient pas dans le rouge oudans le vert:

Si vous ne voyez que le 6, vous ne voyez pas le rouge :vous êtes protanope.

Si vous vous ne voyez que le 9, vous êtes deutéranope.

L’aire V4 est fortementactivée à la vue de formescolorées, l’aire V5 l’estlorsqu ’on regarde des formesno ires en mouvement.



Cependant la perception de la clarté et de la saturation reste intacte, permettant dedistinguer certaines couleurs comme le violet différencié du jaune.

Certaines anomalies de la vision des couleurs ont touché des peintres qui ont retranscritdans leurs œuvres leur vision déformée du monde extérieur. Certaines anomalies tellesque le daltonisme, la cataracte ou des lésions rétiniennes modifient le style et les couleursutilisées par le peintre.

Les daltoniens hésitent donc quand ils peignent entre les teintes perçues de façonsimilaire : en présence de vert par exemple ne distinguant que du gris pouvant être aussile rouge pourpre, ils ont une chance sur 3 de choisir la bonne couleur.

La cataracte : Cette pathologie opacifie le cristallin qui se transforme en filtre jaune,absorbant ainsi les courtes longueurs d'onde.

Illusions de cou leurs :

Les illusions nous apportent des renseignements sur le fonctionnement de l'interprétationdes couleurs.

Le daltonien rougeperçoit de façonidentique le vertcomme le rougec’est à dire en jaune.Les daltoniensperçoivent le mondeen jaune et bleuavec une teinteintermédiaireblanche ou grise.

Comparez les ronds rouges entreeux : l’un d ’eux ne vous paraît-il pasplus c lair ? Ce sont pourtant lesmêmes…



• La vision des couleurs peut nous tromper, notamment parce le système visuel opèreune comparaison entre la couleur de l'objet et celles de son environnement : l’ intensitéde la couleur d'un objet varie avec ce qui l'entoure.

Une "correction" s'effectue automatiquement afin que les objets nous paraissent toujours

de la même couleur alors que, par exemple, au cours d'une journée, la qualité de la

lumière varie (néons, crépuscule, aube...).

• Si l'on fixe un objet coloré, on constate qu’une « image fantôme » apparaît d’une autrecouleur : ce phénomène est dû au codage par couple « rouge/vert », « bleu/jaune » et« noir/blanc » qui s’effectue au niveau des cellules nerveuses transportantl’information. Ce système permet de mieux différencier les couleurs. Cependant, cetteimage colorée complémentaire se projette également sur les objets que l’on observeaprès avoir fixé une image colorée et en modifie temporairement la couleur.

• Si l’on fixe un petit objet coloré, il peut disparaître à notre vue, on parle de cécité à cetendroit de la rétine où l'image s'est imprimée. Cependant, sitôt que les yeux bougent,l'image réapparaît, étant déplacée sur la rétine.

Les cellules de la rétine s'adaptent à la lumière qu'elles reçoivent et ne réagissent quelorsqu'un changement s'opère : dès qu'elle s'immobilise, la vue s'altère.

Des carrés gris fantômes…Observez : des tâches grisesapparaissent aux intersections.Essayez de les fixer…

Observez ces ronds de couleurspendant quelques secondes puis fixez lapartie blanche : des ronds de couleurscomplémentaires apparaissent.

Observez l’oiseau puis la cage :de quelle couleur est l’oiseauqui paraît dans la cage ?



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Quand p eut-on voir un arc-en-ciel ?

Ce phénomène se produit quand il pleut et qu'il y a du soleil simultanément. Il repose sur

la combinaison de 3 éléments :

- l'eau- l'air- la lumière

Cependant, un arc-en-ciel n'est visible que lorsque le soleil situé derrière nous illumine desgouttes d'eau devant nous.

La lumière du soleil que nous voyons blanche est en fait composée de toutes les couleurs.

Chaque goutte de pluie en suspension dans l'airse comporte à la fois comme un prisme et commeun miroir : elle décompose la lumière du soleil enses composantes colorées et les réfléchit versl'observateur.

En effet, dans chaque goutte d'eau, la lumièresolaire est déviée, réfractée. La déviation quesubissent les rayons à l'entrée et à la sortie de lagoutte dépend de leur longueur d'onde. Pour lesrayonn ements roug es, cette déviation forme unangle de 42 ° avec les rayons du soleil. Cet ang leétant légèrement différent pour chaque couleur,nous voyons en fait toute une série de cerclesvoisins de couleurs différentes : c’est l’arc-en-ciel.

Les gouttes de pluie qui renvoient une lumière décomposée vers l'observateur se trouventdonc le long des parois d’un cône imaginaire qui serait pointé sur lui. Ce cône n’est pasfixe, il dépend toujours de la position d e l’observateur.

D'ordinaire, l'arc-en-ciel est tronqu é. On nedistingue que sa partie supérieure. Sacouronne inférieure est invisible. Par contre, sion s'élève suffisamment dans le ciel,l'ensemble de la couronne apparaît.



Pourquoi un deuxième arc-en-ciel ?

Une partie des rayons solaires rebondissent deuxfois dans les gouttes de pluie. Ils en ressortentavec un angle supérieur de 9° au trajet suivi parles rayons responsables de l'arc-en-ciel primaire,c’est à dire avec un angle de 51° pour lesrayonnements rouges.

On a parfois plus de difficulté à distinguer l'arc-en-ciel secondaire parce qu'à chaqueréflexion dans la goutte d'eau, beaucoup de lumière est perdue.



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La lumière en provenance du soleil est composée de plusieurs couleurs, chacune

possédant une longueur d'onde différente. Lorsqu'elle traverse l'atmosphère, cette lumière

entre en collision avec des molécules gazeuses et diverses particules en suspension .

Certaines ondes lumineuses sont alors éparpillées dans toutes les directions. Ce

phénomène est appelé "diffusion Rayleigh ", en l'honneur du mathématicien et physicien

anglais John William Strutt Rayleigh.

Les différentes longueurs d'onde de la lumière ne sont pas affectées de la même manièrepar ce phénomène. Les longueurs d'onde plus courtes – comme le bleu – sont plusfacilement diffusées que les longueurs d'onde plus longu es – comme le rouge -. Cesdifférences de longueurs d’onde font que l’intensité de la lumière bleue diffusée par unemolécule est très largement supérieure à celle de la lumière rouge diffusée. Parconséquent, le ciel nous parait bleu.

La diffusion Rayleigh est également à l'originedes magnifiques couchers de soleil aux bellesteîntes rouges. Lorsque le soleil se trouveprès de l'horizon, à l'aube et au crépuscule,les rayons qui parviennent jusqu'à noustraversent une couche d'air environ 40 foisplus épaisse que lorsqu'il est au zénith. Enchemin, la lumière bleue est presquecomplètement diffusée. La lumière qui nousparvient est donc grandement appauvrie enbleu. Seule la lumière rouge, plus résistante,atteint le sol sans avoir été trop perturbée.



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Naines jaunes, blanches, brunes, géantes rouges, super géantes bleues : la nuit offre une

multitude de bouquets de couleurs. Mais celles-ci sont de si lointaine origine que le peu

qui parvient à l’œil humain est imperceptible sans l’aide des lourds télescopes et des

appareils photographiques.

Cependant, en plus d’émerveiller, ces couleurs permettent de comprendre l’univers, car la

lumière est le seul messager des étoiles. On en mesure donc sa quantité (ou luminosité

totale), et sa qualité, autrement dit sa couleur. De là, on en tire presque toute notre

connaissance de l’univers.

La cou leur des étoiles comme reflet de leur âge

Comme une barre de fer : faiblement chauffée elle est roug e, mais fortementchauffée elle vire au b leuté ; on la dit d’aill eurs chauffée à blanc.

On comprend qu ’à même masse, une étoile chaude (donc bleue) se consumeraplus rapidement qu’une étoile plus froide.

Ainsi les étoiles bleues ne vivent guère plus que quelques centaines de millions d’années,et sont donc jeunes. Par contre la couleur des vieilles étoiles vire souvent au rouge (voirpour en savoir plus). Certaines petites étoiles rouges, situées en bas à droite dudiagramme, brûlent d’ailleurs des dizaines de milliards d’années.

En comparant les étoiles enfonction de leurs couleurs et deleur luminosité totale, on s’aperçoitqu’elles ne se placent pasn’importe comment : elles seregroupent en paquets, tel que lemontre le Diagramme deHertzsprung-Russel, et la couleurdes étoiles en révèle latempérature de surface.

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La couleur révélatrice de la composition chimique

L’analyse précise de la couleur nous apprend encore plus sur la constitution même desobjets observés, parce que les couleurs sont toujours obtenues par mélanges. La lumièredu Soleil apparemment jaune contient ainsi toutes les couleurs de l’arc-en-ciel. Dessources lumineuses de natures différentes donnent des compositions de couleursdifférentes.

Par exemple l’arc-en-ciel du Soleil (son spectre) prouve la présence d’hydrogène, d’héliumet de quelques autres atomes (fer, calcium…). Le spectre d’une lampe au mercureprésente lui les raies caractéristiques du mercure.

spectre continu du soleil

spectre d’émission d’une lampe à vapeur de mercure

spectre d’absorption d’une lampe à vapeur de mercure

Le spectre de la lumière de toute étoile et de tout nuage montre donc des raiesdéterminant avec certitude leur composition chimique.

Grâce à l’analyse de la couleur, nous savons aujourd’hui que l’hydrogène est l’atome leplus abondant de l’un ivers, suivit par l’hélium. Ces atomes sont les principaux constituants

des étoiles.

Les atomes plus lourds, comme le fer ou le cobalt, sont justement fabriqués dans le cœurdes étoiles par réactions thermonucléaires (voir pour en savoir plus). Les mêmes atomesse retrouvent abondamment dans certains nuages qu’on interprète alors comme desrestes d’ étoiles mortes. Dans ces mêmes nuages naîtront de nouvelles étoiles dansquelques milliards d’années, comme ce fut le cas du Soleil il y a cinq milliards d’années.

La Nébuleuse du Crabeprésente la forme et les couleurstypiques du reste d’une étoilemorte : un cœur blanchâtre,signe d’une température intense,contenant beaucoup d’atomeslourds, bordé par du rougeinterprété comme l’hydrogène del’enveloppe de l’étoile.



Les atomes se combinent aussi dans l’espace pour former des molécules plus complexesdans d’immenses nuages de poussière. La présence de molécules aussi variées quel’ammoniac, le méthanol, l’acide formique nous est révélée par les caractéristiques de lalumière qu’elles émettent.

D’autres nuages de poussière sont tout simplement éclairés par des étoiles. Ce sont desnébuleuses par réflexion, comme une partie de la Nébuleuse Trifide, et l’amas d’étoilesdes Pléiades.

En fait, c’est grâce à l’analyse de la couleur que nous parvenons à retracer l’histoire desétoiles et de l’univers, à déterminer la composition des atmosphères des planètes. C’estaussi grâce à elle que nous avons trouvé des acides aminés sur Titan, une lune deSaturne qui pourrait contenir de la vie. La couleur est finalement l’outil principal permettantà l’astrophysicien d’enquêter sur l’origine de notre univers peint par mille hasards.

Pour en savoir plus : le fonctionn ement des étoiles

L’étoile que nous connaissons le mieux est, bien évidemment, le Soleil. Notre étoilesert donc de modèle pour la compréhension de toutes les autres.

La Nébuleuse Trifide.La partie rouge est un

immense nuage de gaz excité en sonsein par des étoiles jeunes : desétoiles sont probablement en traind’y naître. Ce type de nébuleuse estdénommé « région HII ». L’originede la partie bleue est toute autre :c’est un nuage de poussièreinterstellaire éclairé par une étoilechaude et bleue qui lui donne sacouleur : on parle alors de« nébuleuse par réflexion ».

Le diagramme permet donc de retracer lavie des étoiles comme le Soleil : après uneactivité normale d’environ 10 milliardsd’années (I), il se transformera en géantepuis en supergéante rouge (II) pendantenviron un milliard d’années, puis il éjecterases couches externes (III, quelques millionsd’années), et finira sa vie en naine blanche,se refroidissant très lentement en unecentaine de milliards d’années (IV).



Le Soleil est une boule d’environ 700 000 km de rayon : on peut y mettre plus d’un millionde Terre. Il est composé principalement d’hydrogène, l’atome le plus léger de l’univers. Lecœur de l’étoile est tellement dense qu'il s'y passe des réactions thermonucléaires,semblables à l’explosion d’une bombe nucléaire, transformant cet hydrogène en hélium,un atome un peu plus lourd.

Cette fusion nucléaire est essentielle pour l’équilibre de l’étoile, car elle a tendance à lafaire se dilater. Elle compense ainsi la gravitation qui tente plutôt de la faire s’effondrer surelle-même.

Il faudra environ 10 milliards d’années au Soleil pour consumer l’hydrogène de son cœur.Après quoi, faute de combustible, la gravitation va l’emporter un très court moment dans lecœur, juste le temps qu’il lui faut pour se contracter, augmenter sa densité et satempérature. Un deuxième cycle de combustion thermonucléaire commencera alors,transformant l’hélium en carbone.

Cette réaction nucléaire est plus forte que la gravitation : l’enveloppe du Soleil serarepoussée, le transformant en une étoile géante. L’augmentation de la taille de l’étoileaura cependant pour conséquence la baisse de la température de sa surface : le Soleil vadonc rougir. Il deviendra une géante rouge.

La combustion de l’hélium ne durera qu’un milliard d’années, au bout duquel les réactionsvont s’emballer. Le Soleil fabriquera aussi de l’azote et de l’oxygène, et sa taille subira despulsations assez rapides (on parle de dizaines de millions d’années). Il finira par expulserson enveloppe d’hydrogène dans l’espace, et ne subsistera plus que son cœur, très petitmais très dense (une naine blanche), qui s’éteindra lentement, très lentement…

Toutes les étoiles ont une vie comparable à celle du Soleil parce qu’elles fonctionnent surle même principe. Il y a cependant des différences très importantes suivant les situations.Les étoiles plus massives, par exemple, sont capables de transformer le carbone, l’azoteet l’oxygène en atomes encore plus lourds. La fin de leur vie est aussi plus brutale.

Remarquons que l’analyse des spectres des étoiles, conjuguée à la compréhension deleur vie, nous offrent un moyen inattendu d’en évaluer l’âge. Nous avons vu que notreSoleil contient un peu d’atomes lourds dans son enveloppe, car il est né dans un nuageprovenant des restes d’une étoile. A l’époque de la naissance des étoiles les plusanciennes, vers le début de l’Univers, ces atomes lourds étaient moins abondants, voireinexistants : ces étoiles sont donc très pauvres en éléments lourds. Les spectres enrévèlent aisément l’absence, ce qui permet de les distinguer des étoiles jeunes.

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