AE_A01_rayonnement de lunivers - leprof

Activité
Documentaire A01
Les rayonnements de l’univers
Document 1: L'astronomie de l'invisible
Les astronomes s'intéressent beaucoup aux rayonnements électromagnétiques appartenant aux domaines non
visibles. Justifions cet intérêt par quelques exemples.
Les photographies ci-dessous représentent la Galaxie M94 en lumière visible (a), infrarouge(b) et ultraviolette
(c) à la même échelle. Sur la photographie (c) les UV proches sont en jaune, les UV lointains sont en bleu.
L'espace entre les étoiles est rempli de gaz et de poussières. La densité de cette matière est extrêmement faible
mais, à plusieurs centaines d'années de lumière, il suffit de quelques molécules par cm3 pour observer des
nuages opaques à la lumière visible sur la photographie (a)
Le rayonnement infrarouge, de longueur d'onde plus grande que celle de la lumière
visible, peut traverser cette matière parce qu'il subit peu la diffusion (absorption et
réémission des rayonnements dans toutes les directions). Des étoiles, dont la lumière
visible est cachée par ces nuages, apparaissent en observation dans l'infrarouge.
D'autre part, les nuages de poussières, échauffés par le rayonnement des étoiles
voisines, émettent eux-mêmes un rayonnement d'origine thermique qui les rend
brillants dans l'infrarouge sur la photographie (b).
Le rayonnement ultraviolet permet de révéler d'autres aspects de l'Univers. De
jeunes étoiles très brillantes dans ce domaine apparaissent sur la photographie (c), là
où gaz et poussières sont en faible densité.
La photographie (d) a été obtenue en superposant l'image de la galaxie Centaurus A
en lumière visible (couleur blanche) et dans le domaine radio (en orange).
Le rayonnement radio de l'Univers est souvent émis par des particules chargées, animées de mouvements
rapides sous l'effet, par exemple, de l'activité d'un trou noir, au centre de la galaxie Centaurus A.
Document 2 : Différents rayonnements
La beauté du ciel nocturne est due à la lumière émise par les objets de l'Univers. Cette lumière est-elle le seul
rayonnement qu'ils nous envoient ?
Il n'est pas facile de parler de lumière d'une façon simple et correcte. [... ] Sur l'eau d'un étang tranquille, un
insecte s'agite. Tout autour de lui, des ondes circulaires s'éloignent et se propagent jusqu'à la rive. La distance
entre deux crêtes est la « longueur d'onde ». [...]
Les sons qui émergent d'un haut-parleur sont aussi des ondes. C'est l'air qui vibre. Ce ne sont pas des cercles
concentriques, mais des sphères concentriques qui se propagent dans toutes les directions. [...] Les longueurs
d'onde vont de plusieurs mètres pour les sons les plus graves à quelques centimètres pour les sons les plus aigus.
D'une bougie qui brûle dans la nuit partent des ondes de lumières. Comme les ondes sonores, ce sont des
sphères concentriques. La lumière jaune de la bougie a une longueur d'onde d'environ un demi-micron. [...]
En variant la longueur d'onde, on couvre toute la gamme des ondes électromagnétiques. Du kilomètre au
centimètre, on est dans le domaine radio. À plus courte longueur d'onde, on passe [ ... ] à l'infrarouge, qui
s'étend jusqu'au micron environ. La lumière visible occupe une bande entre sept dixièmes et quatre dixièmes de
micron. Ensuite, on rencontre successivement l'ultraviolet, les rayons X et les rayons gamma.
Hubert Reeves, Patience dans l'azur. L'évolution cosmique, Le Seuil coll. « Point Sciences », 1988.
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Galaxie d'Andromède observée dans différents domaines
du spectre électromagnétique et dans le domaine visible
Spectre électromagnétique.
Document 3 : Quelques sources astronomiques
De l'Univers nous parviennent de nombreux rayonnements. Quelles sont les différentes sources de
rayonnements dans le cosmos ?
Interview de Yael Nazé astrophysicienne à Liège
Qu'y a t il entre les étoiles ?
L'espace entre les étoiles est loin d'être vide. Il est rempli de gaz, principalement de l'hydrogène et de l'hélium,
mais aussi de petits agrégats solides (glaces, minéraux, composés organiques ou inorganiques) : la poussière.
Certaines parties de ce milieu interstellaire sont plus denses et forment alors des nébuleuses (doc.2). Les étoiles
(et leurs planètes) naissent d'ailleurs de ces nuages célestes.
Comment détecter ce milieu particulier ?
Malgré sa faible densité, la poussière de ce milieu est capable d'absorber les rayonnements visibles (de longueur
d'onde  comprise entre 400 nm et 750 nm) et ultraviolets (1 nm <  < 400 nm) des étoiles, rendant parfois
certaines régions du ciel opaques à nos yeux.
Dans le proche infrarouge (0,75 µm <  < 10µm) au contraire, la poussière laisse passer le rayonnement des
étoiles et ces régions invisibles se révèlent soudain à nos yeux. Aux longueurs d'onde plus élevées, un autre
phénomène apparaît. En absorbant en effet la lumière visible et ultraviolette, cette poussière se réchauffe : elle
émet donc un rayonnement infrarouge (IR). Dans l'IR moyen (10 µm <  < 50 µm), on peut observer la
poussière chauffée par un soleil proche. Dans l'IR lointain (50 µm <  < 300 µm) c'est la poussière la plus
froide qui ressortira : poussière des cocons protostellaires, des nuages moléculaires froids, « cirrus IR » (de
minces volutes de poussières dont la température est seulement de 15 à 30K).
La loi de Wien relie la température T d'un corps à la longueur d'onde max pour laquelle son rayonnement est le
plus intense : max T= 2,90. 10-3 K . m
avec T (en K) = 273 +  (en °C).
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Document 4 : Ces rayonnements dans l'Univers
Cette vue de la nébuleuse de la Rosette, située à 5 000 al de la
Terre a été obtenue grâce au télescope spatial Herschel. Elle
résulte de la superposition de trois images prises à 70 µm (image
rouge), 160 µm [image verte) et 250 p.m (image bleue).
Le Soleil est la principale source de rayonnements
électromagnétiques de notre système solaire. Pourquoi a-t-il fallu
attendre l'émergence des télescopes spatiaux pour nous révéler la
diversité de ces rayonnements?
A. Le rayonnement électromagnétique
Le Soleil, comme tous les corps célestes, émet des rayonnements
électromagnétiques (appelés aussi ondes électromagnétiques)
dans un large domaine de longueurs d'onde. Ces rayonnements se propagent à la vitesse de la lumière, mais
diffèrent par leurs fréquences.
L'ensemble des rayonnements, qui s'étend des rayons gamma aux ondes radio, constitue le spectre
électromagnétique.
La lumière visible n'en représente qu'une infime partie (voir spectre 1, page suivante).
Cette image du Soleil a été créée à partir d'observations dans l'ultraviolet par le
Satellite SOHO en 1998.
B. Des rayonnements invisibles
Les objets célestes « chauds » (comme les quasars, les naines blanches, les étoiles
dites chaudes) émettent une grande part de leur rayonnement dans le domaine de
l'ultraviolet.
Les objets «froids» (comme les planètes, les étoiles jeunes, les nuages de
poussières) émettent principalement dans le domaine de l'infrarouge.
Pendant de nombreuses années, les astronomes ont été dans l'ignorance de ces rayonnements invisibles pour
deux raisons :
—
la technologie ne permettait pas de les détecter;
—
certains d'entre eux ne parviennent pas jusqu'à la surface de la Terre, car ils sont absorbés par
l'atmosphère.
C. Une observation difficile
Les rayonnements qui traversent l'atmosphère ont leur intensité qui diminue, car ils sont diffusés,
essentiellement par des molécules de gaz. Les phénomènes d'absorption et de diffusion se cumulent; leur
résultante est appelée « extinction atmosphérique ».
Elle est d'autant plus marquée que l'épaisseur de la couche atmosphérique traversée est importante.
De plus, des turbulences atmosphériques limitent la résolution des télescopes situés à la surface de la Terre : au
cours de l'observation, les images obtenues paraissent tremblotantes. Pour limiter l'impact de ces deux facteurs,
on construit des observatoires en altitude, où la couche atmosphérique traversée est moins épaisse et où l'air est
plus stable.
On dispose également de télescopes spatiaux comme Hubble, lancé en 1990 , qui ont l'avantage de pouvoir
étudier des objets beaucoup moins lumineux que ceux étudiés au sol. Leur position permet d'observer des
rayonnements qui auraient été absorbés par l'atmosphère. Ainsi le télescope Herschel, lancé en 2009, doit
permettre de détecter des rayonnements infrarouges.
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Document 5 : spectres avec les longueurs d'onde dans le vide.
.
Images de la voie lactée dans différents domaines spectrales.
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QUESTIONS
Exploiter le document 1
1- Sur les photographies, pourquoi la galaxie M 94 paraît moins étendue sur la photographie (a) que sur les (b)
et (c)?
2- Qu'est-ce que le rayonnement thermique? Pourquoi les nuages de poussière sont-ils brillants sur la
photographie (b) et non sur la photographie (a)?
3- A quoi reconnaît-on les étoiles les plus chaudes sur la photographie (c)?
4- Le document fait mention d'un «trou noir». A l'aide d'une recherche documentaire, expliquer en quelques
lignes en quoi consiste ce type d'objet, qu’est ce qu’un quasar ? Une naine blanche ?
5- Estimer la longueur de la zone d'émission radio autour du trou noir de Centaurus A,(l’échelle sur le coté
donne 1 degré ou 200000 al)
6- Justifier la nécessité d'exploiter les rayonnements électromagnétiques invisibles pour étudier l'Univers.
7- A l'aide des documents et d'une recherche documentaire, dresser un tableau présentant des sources riches en
rayonnements infrarouge, ultraviolet et radio dans l'Univers.
Exploiter le document 2
1.1- En physique, on modélise un rayonnement par une onde. Par quoi Hubert Reeves propose-t-il de
représenter une onde ? Réaliser un schéma.
1.2- Compléter le schéma précédent en faisant apparaître la « longueur d'onde » définie dans le texte.
2.1- Quels sont les noms des différentes catégories de rayonnement citées dans le texte ?
2.2- Associer à chaque lettre de la figure 1 le nom des rayonnements correspondants.
3- L'œil humain est souvent qualifié de capteur à faible étendue. Que peut signifier cette expression ?
4.1- Sur le cliché de la galaxie d'Andromède, photographiée dans le domaine visible quelles zones, dont les
détails sont masqués en lumière visible, apparaissent clairement sur les autres clichés?
4.2- Le rayonnement ultraviolet est associé à des zones très chaudes.
Où se trouvent ces régions sur Andromède ?
5- En physique, on parle souvent de « lumière invisible ». Comment peut-on comprendre cette expression ?
Exploiter le document 3
1.1- Citer deux domaines dans lesquels émettent les étoiles.
1.2- Pourquoi ce rayonnement émis par les astres ne nous parvient-il pas toujours ?
2- Citer une source du rayonnement de l'espace :
a) dans le proche infrarouge ; b) dans l'infrarouge moyen ; c) dans l'infrarouge lointain.
3- Comment la vue de la nébuleuse de la Rosette est-elle produite ?
Pourquoi parle-t-on de « fausses couleurs » ?
4- En appliquant la loi de Wien, donner les domaines de température associés à un maximum de rayonnement :
a) dans le visible;
b) dans le moyen infrarouge;
c) dans le lointain infrarouge.
5- Interpréter la phrase «Dans le proche infrarouge... à nos yeux. »
Exploiter les documents 4 et 5
1- Quels sont les domaines de rayonnement difficilement observables depuis la surface de la Terre?
2- D'après le spectre 3, quels sont les domaines de rayonnements absorbés :
2.1- par la vapeur d'eau?
2.2- par le dioxygène et l'ozone?
3- Quelles sont les longueurs d'onde des radiations observées par un radiotélescope? Pourquoi peut-on installer
des radiotélescopes au niveau de la mer?
4- Pourquoi certaines observations ont-elles été améliorées par l'utilisation de télescopes spatiaux?
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