TS www.pichegru.net 2 octobre 2016 Devoir Maison n°1 Un peu d’astronomie Document 1 : Du visible aux ondes radio Document 4 : Les fenêtres d’observation Depuis la découverte du premier instrument d’observation astronomique vers 1610, de nombreux scientifiques ont développé des télescopes de plus en plus puissants et capables de suivre avec précision les mouvements des astres. De Kepler à Huygens en passant par Newton ou Cassegrain, ils ont développé des systèmes optiques pour améliorer la netteté et la qualité des images observées, mais toutes ces observations, aussi impressionnantes soient-elles n’étaient faites que dans un seul domaine du spectre électromagnétique, le spectre visible. Or celui-ci ne représente qu’une infime partie de l’ensemble du spectre de la lumière, et il a fallu attendre le début des années 1930 pour voir l’avènement de la radioastronomie. L’atmosphère terrestre possède ce que l’on appelle des fenêtres d’observation. À certaines fréquences, la lumière traverse l’atmosphère sans être absorbée ou réfléchie, on dit qu’elle est « transparente ». C’est le cas dans le domaine visible et le domaine des ondes radiométriques. L’observation dans le domaine visible présente un énorme avantage, l’atmosphère terrestre à cette fréquence d’observation est presque transparente, ce qui n’est pas toujours le cas dans les autres domaines de fréquence. Document 2 : Faire la lumière... sur la lumière La lumière est l’ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l’œil humain, c’est-à-dire dont les longueurs d’onde sont comprises entre 380 nm (violet) et 780 nm (rouge). La lumière est intimement liée à la notion de couleur. Outre la lumière visible, par extension, on appelle parfois « lumière » d’autres ondes électromagnétiques, telles que celles situées dans les domaines infrarouge et ultraviolet. La lumière se déplace en ligne droite dans tout milieu transparent homogène, en particulier le vide ou l’air. Elle peut en revanche changer de trajectoire lors du passage d’un milieu à un autre. Dans le vide, la lumière se déplace à une vitesse strictement fixe (et inférieure à celle-ci dans d’autres milieux). On trouve d’ailleurs souvent l’affirmation « la vitesse de la lumière est constante », le « dans le vide » étant alors sousentendu. La lumière est un peu plus lente dans l’air, et notablement plus lente dans l’eau. Document 3 : Les qualités d’un site exceptionnel Pour savoir si un ciel présente un potentiel intéressant en terme de transparence atmosphérique, les astronomes définissent le « seeing » c’est à dire la résolution maximale que l’on puisse atteindre. Cette résolution dépend fortement des turbulences atmosphériques, c’est pourquoi il faut privilégier les sites d’observation où l’atmosphère est particulièrement stable. La différence de température entre le jour et la nuit doit être minimale. Autre paramètre important : la pollution de l’air. Pour s’en affranchir les astronomes choisissent des sites en altitude, au-delà de 2000 m. L’altitude présente deux autres avantages importants, il y a peu de pollution lumineuse car la plupart du temps ce sont des régions peu habitées, de plus, le temps y est plus sec. La quantité de vapeur d’eau dans l’air pose problème, en particulier dans les domaines infrarouge et submillimétrique. Le domaine visible est de loin le plus observé, il nous permet de voir de nombreux astres, comme les planètes, les comètes, les astéroïdes, les étoiles ou encore les nébuleuses. Les ondes radio présentent, elles aussi, un grand intérêt scientifique, notamment pour les astrophysiciens qui étudient les galaxies. En effet, il existe une raie d’émission de l’atome d’Hydrogène à la longueur d’onde de 21 cm, cette raie permet de tracer le gaz atomique qui représente une part importante du gaz dans une galaxie. Les rayonnements énergétiques (γ, X, UV) sont absorbés par la haute atmosphère, notamment par la couche d’ozone, il est très difficile de les observer directement. L’observation des rayonnements infrarouge, submillimétrique et micrométrique est très sensible à la présence d’eau et de dioxyde de carbone. Ces deux gaz absorbent une grande partie de ces rayonnements. Enfin, dans le domaine des très basses fréquences, les rayonnements sont réfléchis par les électrons libérés par l’ionisation des gaz dans la haute atmosphère. 1. Donner la fréquence d’une onde électromagnétique dont la longueur d’onde dans le vide est de l’ordre de 1 µm. 2. Quelle conséquence ont les turbulences de l’atmosphère sur les observations ? 3.a. Quels sont les astres capables d’émettre des rayonnements UV ? 3.b. Comment doit-on s’y prendre pour observer l’univers dans le domaine des UV ? 4. La lumière est une onde progressive à combien de dimensions ? 5. On entend parfois dire : « voir loin, c’est voir dans le passé ». Expliquer cette phrase en prenant comme premier exemple le Soleil, qui se trouve à 150·106 km de la Terre (indiquez, notamment, combien de temps met la lumière du Soleil pour parvenir jusqu’à nous) et en prenant un deuxième exemple de votre choix. Correction λ c 3 ⋅ 10 8 donc f = = = 3·1014 Hz T λ 10 −6 2. Diminution de la résolution (doc 3) 1. c = [1 pt] [0,5 pt] 3.a. La plupart des étoiles assez chaudes (et également les nébuleuses [0,5 pt] planétaires, les restes de supernovae, les noyaux galactiques). 3.b. Il faut faire des observations hors de l’atmosphère. [0,5 pt] 4. C’est une onde à 3 dimensions. [0,5 pt] 5. Explication + 2 exemples sont nécessaires [1,5 pt] On observe un objet tel qu’il était au moment où la lumière perçue a été émise. d 150 ⋅ 10 9 La lumière du soleil met un temps ∆t = = = 500 s (soit 8 c 3 ⋅ 10 8 minutes et 20 secondes), donc nous le voyons tel qu’il était 8 minutes et 20 secondes dans le passé avant l’observation. Si l’on observe un astre plus lointain (l’étoile la plus lointaine observée se trouve à 13 milliards d’années-lumière), on le verra tel qu’il était dans un passé plus lointain (dans notre exemple, 13 milliards d’années dans le passé). Projet du Télescope Géant Européen E-ELT, qui sera construit dans les années à venir Les régions désertiques sont intéressantes car l’atmosphère y est sèche et peu turbulente. Le meilleur site d’observation trouvé, à l’heure actuelle, se trouve au Chili, dans le désert de l’Atacama. Ce lieu est extrêmement sec, le pourcentage d’eau dans l’air est souvent inférieur à 10%, et la pluie est très rare. -1-