Les chercheurs ont développé un nouvel instrument qui peut analyser la lumière réfléchie par des matériaux très petits ou extrêmement sombres tels que certains échantillons de météorites et VANTABlack, la substance artificielle la plus sombre créée. L'instrument révèle déjà de nouvelles informations sur ces surfaces et sur d'autres surfaces difficiles à analyser.
L'utilisation de la spectroscopie pour mesurer la façon dont la lumière se réfléchit sur une surface peut fournir des informations sur les propriétés physiques et chimiques d'un échantillon de matériau. Cependant, des échantillons extrêmement sombres ou petits comme ceux des météorites rendent ce type d'analyse difficile car ils réfléchissent très peu de lumière.
Dans la revue The Optical Society (OSA) Optique appliquée , premier auteur Sandra Potin et ses collègues de l'Institut de Planétologie et Astrophysique de Grenoble (IPAG), Université Grenoble Alpes en France, signaler que leur nouvel instrument, appelé OMBRES, peut être utilisé pour la spectroscopie de réflectance d'échantillons mesurant moins d'un millimètre cube et qui réfléchissent moins de 0,03 % de la lumière éclairant l'échantillon.
Le nouvel instrument peut être utilisé pour mieux comprendre la composition des météorites et pour identifier l'astéroïde ou la comète dont elles sont originaires. Il peut également être utilisé pour analyser des surfaces sur des engins spatiaux, où des revêtements très sombres sont utilisés pour réduire la lumière parasite ou éliminer la chaleur de l'instrumentation utilisée dans l'espace.
Améliorer la sensibilité
L'instrument de spectroscopie créé par les chercheurs est connu sous le nom de radiomètre spectro-gonio, qui fonctionne en projetant de la lumière sur un échantillon depuis une direction précise, puis en détectant la lumière réfléchie depuis une direction différente. Cette approche est connue sous le nom de spectroscopie de réflectance bidirectionnelle car elle calcule la réflectance d'un matériau en fonction de la direction de la lumière d'éclairage et de la direction à partir de laquelle cette lumière réfléchie est détectée. Les spectres produits par cette mesure sont comme une empreinte digitale qui peut être utilisée pour déterminer la composition d'un échantillon.
Les chercheurs ont commencé avec un radiomètre qu'ils avaient précédemment développé pour les grands, échantillons brillants et travaillé pour améliorer sa sensibilité en réduisant l'éclairage à un diamètre d'environ 5,2 mm. Le spot d'éclairage peut être encore plus petit pour cartographier des surfaces hétérogènes telles qu'une surface qui contient plusieurs types de matériaux.
"L'instrument a un très bon rapport signal/bruit car nous avons utilisé ce que nous appelons la détection synchrone, " dit Potin. " Cela signifie que plutôt que d'utiliser la lumière continue, nous illuminons les échantillons avec des impulsions lumineuses à une fréquence très précise. En reliant les deux détecteurs du radiomètre à cette fréquence, tout ce qui n'est pas la lumière réfléchie par l'échantillon peut être retiré de la mesure."
Le nouvel instrument utilise plusieurs couleurs de lumière et déplace la source lumineuse et le détecteur autour de l'échantillon pour mesurer la lumière provenant et réfléchie dans plusieurs directions. Les informations obtenues à partir des différentes directions et couleurs de la lumière sont utilisées pour créer une carte angulaire en 3D de la réflexion de la lumière de l'échantillon qui peut fournir encore plus d'informations sur l'échantillon.
Large gamme de températures
Un autre aspect du nouvel instrument est qu'il peut être utilisé pour analyser des échantillons à -20 degrés C jusqu'à 250 degrés C, avec des plans pour fonctionner à des températures encore plus basses, jusqu'à -210 degrés C. Ceci est important car la température de l'échantillon peut modifier les spectres obtenus avec l'instrument.
"Certains astéroïdes sont très éloignés du soleil et donc plutôt froids, mais quand une comète s'approche du soleil, il fait très chaud, " a déclaré Potin. " Si nous essayons de comparer des échantillons de météorites trouvés sur Terre avec des spectres obtenus à partir d'astéroïdes dans l'espace, nous devons prendre les mesures dans une très large plage de températures. »
Les chercheurs ont utilisé SHADOWS pour prendre des mesures d'un échantillon de VANTABlack, qui est une substance chimique constituée de nanotubes de carbone cultivés sur une feuille d'aluminium. Les spectres de ce matériau obtenus avec le nouvel instrument semblaient complètement différents de ceux acquis par d'autres techniques de spectroscopie, car ils incluaient des informations provenant de différentes directions.
"En personnalisant l'analyse spectrale bidirectionnelle pour les surfaces très sombres, notre nouvelle approche peut révéler des informations structurelles qui n'ont pas été observées avec d'autres types de mesures, " dit Potin.
Les chercheurs disent qu'ils travaillent maintenant à apporter des améliorations à l'instrument, y compris l'incorporation de mesures de polarisation pour fournir encore plus d'informations sur les échantillons analysés. L'instrument est mis à la disposition des chercheurs en Europe dans le cadre de l'activité Trans National Access du programme Europlanet 2020-RI.
