Chap 1J - Essentiel

Terminale S
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Chapitre nÀ1 : ondes, particules et détecteurs
Chapitre n°1 du livre, pages 15 à 30
Les rayonnements dans l’Univers
La Terre reçoit, à chaque instant, un rayonnement électromagnétique qui peut être décrit par un modèle
ondulatoire (onde électromagnétique) ou par un modèle corpusculaire (propagation de photons) et un
rayonnement cosmique, composé d’un flux d’astroparticules. L’observation et l’analyse de ces rayonnements
nous informe sur l’Univers, sur sa structure, sur sa composition, sur son origine et sur son évolution.
Le rayonnement électromagnétique
Une « onde » est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation des propriétés
physiques locales du milieu. Une onde correspond à un transport d'énergie sans transport de matière.
Les ondes « électromagnétiques » ont la particularité de pouvoir se propager dans le vide, elles ne nécessitent
pas de milieu matériel. Elles résultent de la superposition d’un champ magnétique et d’un champ électrique.
Le spectre des ondes électromagnétiques est très large, transportant des énergies (reliées aux fréquences) très
différentes. La lumière visible ne constitue qu’une toute petite partie du spectre lumineux (avec les
infrarouges et les ultraviolets), lui-même partie du spectre électromagnétique :
Longueur d’onde croissante
Energie transportée et fréquence croissantes
Les ondes mécaniques
Les ondes « mécaniques » nécessitent un milieu matériel de propagation : elles correspondent au
déplacement d’une perturbation qui résulte d’une vibration des particules du milieu transmise de proche en
proche. Une onde mécanique peut être transversale si la direction de la vibration des particules est
perpendiculaire à la direction de propagation de l’onde, et longitudinale si la direction de la vibration des
particules est parallèle à la direction de propagation de l’onde.
On distingue les ondes mécaniques à une dimension (onde le long d’une corde ou d’un ressort par exemple),
les ondes mécaniques à deux dimensions (onde à la surface de l’eau par exemple) et les ondes mécaniques à
trois dimensions, comme le son ou les ondes sismiques. Les ondes longitudinales sont des ondes dites de
« compression – dilatation ».
Remarque : si la source d’une onde se déplace dans un milieu plus vite que l’onde ne se propage dans ce
milieu, il se produit une onde de choc (mur du son = détonation, effet Tcherenkov = lumière bleue).
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Les particules dans l’Univers
L’espace interstellaire est souvent considéré comme vide, du fait de sa très faible densité de particules. Les
étoiles émettent pourtant des particules matérielles, chargées ou non, qui baignent l’Univers :
des particules élémentaires dont aucune structure interne n’est connue (électrons, quarks…).
des particules ayant une structure interne, comme les protons et les neutrons (composé de quarks) mais
aussi les atomes, les ions, les molécules.
une autre particule élémentaire au statut particulier : le photon.
Détection d’ondes électromagnétiques et de particules
Afin d’observer et de mieux comprendre son environnement, l’Homme tente de détecter les ondes et les
particules qui arrivent jusqu’à lui. L’observation a débuté à l’œil nu, capteur de lumière visible, puis s’est
améliorée avec le temps et les progrès de la physique et de la technologie :
concernant les ondes électromagnétiques : lunette astronomique, télescope de Newton, observatoire
astronomique, radiotélescope, télescope à IR, à UV, puis télescope spatial mis en orbite autour de la Terre.
Le plus puissant observatoire au sol est aujourd’hui le VLT de Paranal (ESO – Chili) et en orbite autour de la
Terre le télescope Hubble (NASA). Bien que très coûteux, les télescopes en orbite sont amenés à se
développer davantage car l’atmosphère terrestre absorbe une grande partie du rayonnement
électromagnétique, en particulier les ondes les plus énergétiques (au-delà des UV).
concernant les particules, de nombreux détecteurs ont été inventés mais la plupart des particules sont
déviées par la magnétosphère et n’arrivent pas jusqu’à la Terre, donc peuvent difficilement être étudiées :
c’est le cas de toutes les particules chargées électriquement. Les particules non chargées électriquement, en
revanche, arrivent bien jusqu’à notre planète mais interagissent très peu avec la matière et traversent le plus
souvent la Terre « sans la voir ». Du fait de cette très faible interaction, la détection est très difficile. Pour
étudier les particules, les physiciens construisent alors des accélérateurs de particules dont le LHC
(Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire – Genève) est actuellement le plus moderne et le plus
puissant représentant.
Les observations réalisées depuis quelques siècles ont totalement bouleversé notre vision du Monde : il y a
400 ans, nous pensions que la Terre était le centre d’un Univers qui lui tournait autour. Galilée, en inventant
la lunette astronomique et en découvrant les satellites de Jupiter (1610), prouva que cette représentation ne
rendait pas compte de la réalité. Il y a un siècle, nous ne savions pas pourquoi les étoiles brillent et nous
pensions qu’elles avaient toujours existé. Les progrès de l’astronomie nous ont appris que l’Univers n’était
pas figé mais en évolution permanente et en expansion (et qu’il avait un âge), que les étoiles n’étaient pas
immuables mais suivaient un cycle qui les voit naitre dans d’immenses nuages de poussières interstellaires et
mourir le plus souvent dans de gigantesques explosions, que le Soleil était une étoile comme il en existe des
milliards de milliards, que le système solaire faisait partie d’une galaxie comme il en existe aussi des
milliards, que l’Univers contenait des tas d’objets exotiques tels les étoiles à neutrons, les quasars, les trous
noirs… La poursuite de l’observation avec des outils toujours plus performants nous permettra peut-être de
découvrir de nouvelles propriétés aux particules que nous connaissons, ou de nouvelles particules, et de
mieux modéliser la matière noire…
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