Pulsars et gravitation - Académie d`Orléans

Pulsars et gravitation
Le grand radiotélescope de Nancay
Livret pédagogique
Sommaire livret
Présentation
3
Les auteurs
4
Sommaire partie DVD
6
Sommaire partie cédérom
7
Activités
L’âge de la nébuleuse du Crabe
Ralentissement et âge du pulsar du Crabe
Mesure de dispersion et distance du pulsar du Crabe
La distance des amas d’étoiles et la découverte de l’absorption interstellaire
L’analyse des temps d’arrivée des impulsions des pulsars
Pulsar binaire et masse d’une étoile à neutrons
Effet Shapiro et masse du Soleil
Principe optique des miroirs du grand radiotélescope
Les ondes électromagnétiques
Expériences : écouter le pulsar
Expériences : pulsars, ondes radio, principe d’un radiotélescope
Questionnaires
8
10
12
14
16
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La bande originale des films
29
© SCÉRÉN-CRDP du Centre - académie d’Orléans-Tours, 2006
Directeur de publication
Edition
Mise en page
Dominique Raulin
Daniel Gazeau
Corinne Rodriguez
Présentation
Inauguré en mai 1965 par le Général de Gaulle, le grand radiotélescope de Nançay a fêté en
2005 ses 40 ans de fonctionnement. Cet anniversaire coïncidant avec l’Année Mondiale de la
Physique nous avons proposé pour cette double occasion un projet pédagogique autour de
l’instrument et d’un de ses plus importants sujets d’observation : l’étude des pulsars et ses
applications en Physique Fondamentale.
Le Grand Radiotélescope de Nançay (NRT), installé en Sologne, est un instrument à vocation
scientifique internationale. Sa dernière rénovation date de l’année 2000 ; elle a été possible
grâce à un co-financement de l’Observatoire de Paris, du CNRS et de la Région Centre et a
permis ainsi à l’instrument de conserver sa place au niveau mondial. L’étude des pulsars a,
quant à elle, donné lieu à un grand nombre de découvertes (deux prix Nobel) et constitue
un des domaines de prédilection pour tester les théories de la gravitation. Les pulsars sont
observés régulièrement à Nançay depuis 1988, et en constituent une des activités de pointe
pour l’avenir du radiotélescope.
Outre le présent livret, cet ensemble multimédia est présenté sur deux supports : un DVD qui
contient un ensemble de films (documentaire, conférence filmée, interviews...) et un cédérom
qui comprend des données de radioastronomie et des documents pédagogiques destinés à
être exploités en classe avec des élèves. Sur la partie cédérom, on trouve aussi une visite virtuelle du grand radiotélescope de Nançay, ainsi que la bande originale des films, mélange de
signaux de pulsars purements électroniques et de sonorités d’instruments acoustiques.
Même si par de multiples aspects, en particulier le contenu des différents films, l’ensemble
s’apparente à un produit grand public, il vise principalement un public scolaire, du niveau
collège jusqu’au premier cycle universitaire. Il est conçu pour une utilisation en classe, sous le
contrôle et avec l’aide d’un enseignant. Sa vocation est de donner des exemples d’application
en classe dans un domaine de recherche de pointe de l’astrophysique.
Ce projet a été réalisé par le CRDP d’Orléans-Tours, à l’initiative de deux chercheurs en astrophysique du laboratoire de physique et chimie de l’environnement (CNRS-Orléans) et il
a reçu le concours d’une équipe d’enseignants de l’académie d’Orléans -Tours pour la validation pédagogique des contenus proposés. Le projet a reçu le soutien financier du dispositif
“Sciences à l’École” du Ministère de l’Éducation nationale, de l’Observatoire de Paris, de la
Société Française de Physique et de la fondation EADS.
Les évolutions de ce projet et les développements de nouvelles activités pédagogiques au-delà
de l’année 2006 sont consultables sur le site internet :
http://lpce.cnrs-orleans.fr/~pulsar/pedago.html [consulté le 12/09/06]
Les auteurs
Ismaël Cognard est chargé de recherche au CNRS, en poste au laboratoire de physique et chimie de l’environnement, à Orléans, depuis octobre 1996. Après des études de physique fondamentale à l’université d’Orléans, il soutient une thèse de doctorat à l’Observatoire de Paris
sur l’observation des pulsars ultra-rapides avant de s’expatrier un an à Princeton University.
Il est responsable du programme “pulsar” au grand radiotélescope de Nançay et a développé,
en collaboration avec University of California à Berkeley, l’actuel analyseur numérique utilisé
pour la chronométrie des pulsars.
Gilles Theureau est astronome adjoint à l’Observatoire de Paris et détaché au laboratoire de
physique et chimie de l’environnement, à Orléans, depuis septembre 2000. Après des études
de mathématiques à l’Université de Paris-XI-Orsay il s’oriente vers l’astronomie à partir de
1991, avec un DEA en astronomie fondamentale et mécanique céleste, puis une thèse de doctorat en cosmologie observationnelle. Pendant plus de dix ans, ses recherches ont porté sur la
physique des galaxies, l’échelle des distances dans l’univers et les mouvements des galaxies au
voisinage des grandes structures extragalactiques. En 2005, il rejoint le thème des pulsars et
fonde une nouvelle équipe avec son collègue orléanais Ismaël Cognard.
Patrick Sintès enseigne le jazz et l’improvisation à l’École nationale de musique d’Orléans
depuis 1992. Il anime des formations en informatique musicale pour des enseignants d’écoles
spécialisées. Contrebassiste dans différentes formations en région Centre, il fait également
partie du groupe “Rabab ensemble” dans lequel il utilise en “live” ordinateurs et instruments
électroniques aux cotés de quatre instrumentistes classiques et d’un percussionniste. Pratique
l’astronomie en amateur depuis l’opposition de Mars de novembre 1990.
L’équipe pédagogique est composée d’enseignants de physique et de mathématiques de
l’académie d’Orléans-Tours. Elle a reçu le soutien d’Alain Goursaud et Nicolas Montlivet,
inspecteurs pédagogiques régionaux de physique, et de Michel Khairallah, chargé de mission
“Culture Scientifique et Technique” au rectorat d’Orléans-Tours. Ont ainsi participé activement à ce projet, en particulier pour la validation en classe des activités et exercices proposés,
la rédaction de nouvelles fiches pédagogiques, et la proposition d’expériences et manipulations à réaliser avec les élèves :
- Marie-Christine Baurrier, enseignante de physique au lycée Pothier, à Orléans (45) ;
- Mathieu Beauvais, enseignant de physique au lycée Jacques Coeur, à Bourges (18) ;
- Joel Petit, enseignant de physique au collège Hubet Fillay, à Bracieux (41) ;
- Christiane Sellier, enseignante de physique au lycée Durzy, à Villemandeur (45) ;
- Daniel Verheylewegen, enseignant de mathématiques au collège Jean Moulin, à StAmand-Montrond (18).
Sommaire partie DVD
Bande annonce (clip, 2 mn - se lance automatiquement à l’insertion du dvd)
Le grand radiotélescope de Nançay : comment ça marche ? (documentaire, 12 mn)
Conférence : pulsars et gravitation (conférence filmée, 40 mn)
L’étude des pulsars et la physique fondamentale
1- La découverte des pulsars
2- L’observation radio des pulsars
3- L’évolution stellaire
4- Le diagramme de Hertzsprung-Russell
5- Les deux populations de pulsars
6- La chronométrie des pulsars
7- Les paramètres orbitaux d’un système binaire
8- Les tests des théories de la Gravitation
L’histoire du grand radiotélescope par J.-L.Steinberg (interview, images d’archives, 15 mn)
Les programmes scientifiques du grand radiotélescope (clip, 4 mn)
Sommaire partie cédérom
Visites virtuelles
- panorama général
- chariot mobile
- récepteur
- laboratoire
- miroir plan
- miroir sphérique
- instrumentation pulsar
Livret pédagogique
- L’âge de la nébuleuse du Crabe
- Le ralentissement et l’âge du pulsar du Crabe
- Mesure de dispersion et distance du pulsar du Crabe
- La distance des amas d’étoiles et le milieu interstellaire
- L’analyse des temps d’arrivée des impulsions des pulsars
- Pulsar binaire et masse d’une étoile à neutron
- Effet Shapiro et masse du Soleil
- Le principe optique des miroirs du grand radiotélescope
- Les ondes électromagnétiques
- Expériences : “écouter” le pulsar
- Expériences : simulation d’un pulsar, ondes radio et principe d’un radiotélescope
- Questionnaires d’exploitation des films et réactivation des connaissances
Vidéo
- versions “très compressée” des chapitres de la conférence
Musique
- “sons” brut de pulsars (cinq pulsars)
- bande originale des films (version complète : 13 pistes en fichiers mp3)
Annexes
- Olympiades de Physique 2006
dossier Olympiades de Physique 2006 : Lycée Durzy, Villemandeur
- Recherche de pulsars
dix secondes de données obtenues au radiotélescope de Nançay sont proposées pour y
chercher un pulsar
- Catalogue de pulsars
on donne ici le catalogue juin 2006 de l’Australian Telescope National Facility
L’âge de la nébuleuse du Crabe
Objectifs
La nébuleuse du Crabe est un reste de supernova. C’est le résidu gazeux de l’explosion d’une
grosse étoile. En se basant sur des photographies de la nébuleuse prises à différentes époques,
et en y reconnaissant des détails de structures identiques, on se propose de mettre en évidence
l’évolution au cours du temps de la coquille de gaz et de mesurer sa vitesse d’expansion.
En supposant une vitesse d’expansion uniforme depuis l’explosion de l’étoile d’origine, on
pourra estimer l’âge de la nébuleuse et l’identifier avec la supernova observée en 1054 par les
astronomes chinois.
Enfin, en utilisant des mesures spectroscopiques complémentaires nous donnant la vitesse
radiale d’expansion de la nébuleuse en km/s, on pourra en déduire la distance de la nébuleuse
et du pulsar qu’elle abrite en son sein. Ce résultat pourra être comparé à celui de l’activité (2)
où l’on utilise exclusivement les mesures radio du pulsar du Crabe.
Connaissances mises en œuvre
Générales
• Echelle d’un document
• Notions d’angles
• Equation linéaire d’une droite
• Vitesse moyenne
Astrophysique
• Evolution d’une étoile massive, supernova
• Conférence : chapitre 3
Documents/données/matériel utilisés
• Trois photographies hautes résolution de la nébuleuse du Crabe prises respectivement
les 19 janvier 1942, 27 février 1976 (document Sky and Telescope) et 17 novembre
1999 (document ESO-VLT)
• Une image en négatif où sont notées des étoiles de référence et leurs séparations angulaires sur le ciel
• Un spectre optique de la nébuleuse entre 450 et 700 nm
• (en option) le logiciel HOU
Niveau de difficulté
Collège, lycée
8
Image de la Nébuleuse du Crabe obtenue par l’ESO (European Southern Observatory)
avec le Very Large Telescope (VLT) le 17 novembre 1999
9
Ralentissement et âge du pulsar du Crabe
Objectifs
C’est en 1968, que fut découvert un “pulsar’’ au centre de la nébuleuse dite du Crabe. Il s’agit
du résidu de l’étoile massive qui a explosé en 1054 sous les yeux des astronomes chinois et
dont subsiste environ 1.4 masse solaire confinée dans un rayon de 10 km environ appelée
“étoile à neutrons’’. Dotée d’un champ magnétique, l’étoile émet deux faisceaux radio qui
balaient l’espace et sont captés sur Terre sous forme d’impulsions radio régulières.
En assimilant le pulsar à un dipôle magnétique ralentissant par perte d’énergie émise par
radiation, on peut définir un âge caractéristique du pulsar avec la relation :
âge = P / 2 P1, ou P est la période et P1 sa dérivée.
De la mesure du ralentissement du pulsar, il sera donc possible d’estimer son age et de comparer avec l’âge réel calculé grâce aux observations chinoises de 1054.
Connaissances mises en œuvre
Générales
• Dérivée
• Période
Astrophysique
• Calendriers, jours juliens
• Conférence : chapitre 1, chapitre 2, chapitre 5
Documents/données/matériel utilisés
• Cinq séries de deux temps d’arrivée d’impulsions radio du pulsar du Crabe
Niveau de difficulté
Collège, lycée
10
03 avril 2005
03 avril 2005
13 avril 2005
13 avril 2005
14:28:12.028857
14:28:42.020320
13:48:56.683186
13:49:26.675046
53463.602917000651
53463.603264124067
53473.575656055393
53473.576003183407
Ensemble de temps d’arrivée du pulsar du Crabe PSR B0531+21 de période 33.398 ms
observé au radiotélescope de Nançay durant quelques semaines.
11
Mesure de dispersion et
distance du pulsar du Crabe
Objectifs
C’est en 1968 que fut découvert un “pulsar” au centre de la nébuleuse dite du Crabe. Il s’agit
du résidu de l’étoile massive qui a explosé en 1054 sous les yeux des astronomes chinois. Ce
résidu subsiste sous la forme d’une étoile à neutrons; elle a une masse d’environ 1.4 masse
solaire et est confinée dans un rayon de 10 km environ. Dotée d’un fort champ magnétique,
l’étoile émet deux faisceaux radio qui balaient l’espace et sont captés sur Terre sous forme
d’impulsions radios régulières.
La présence d’électrons libres dans le milieu interstellaire produit le phénomène de dispersion : tout signal radio est d’autant plus retardé que sa fréquence est basse et que le nombre
total d’électrons rencontrés dans le milieu est important. A partir d’un ensemble d’observations temporelles du signal pulsar du Crabe à différentes fréquences, on se propose de mettre
en évidence cette dispersion, de la mesurer, et d’en déduire une distance du pulsar.
Connaissances mises en œuvre
Générales
• Pente d’une droite
• Proportions
• Densité
Astrophysique
• Dispersion
• Milieu interstellaire
• Conférence : chapitre 2, chapitre 6
Documents/données/matériel utilisés
• La relation de dispersion du milieu interstellaire
• Une figure représentant des impulsions du pulsar du Crabe obtenus à différentes
fréquences radio
Niveau de difficulté
Collège, lycée
12
Observation du pulsar du Crabe avec le radiotélescope de Nançay
montrant la dispersion affectant le signal radio.
Le pulsar a été observé dans 16 canaux de fréquences entre 1368 et 1428MHz.
L’axe des abscisses, temporel, est gradué en millisecondes
13
La distance des amas d’étoiles et la découverte de
l’absorption interstellaire
Objectifs
En 1929, l’astronome Robert J. Trumpler travaillait depuis une dizaine d’années sur les amas
ouverts de la Galaxie au Lick Observatory (California) pour en comprendre la distribution
spatiale. C’est en comparant les distances de ces amas obtenues par deux méthodes différentes, l’une basée sur les dimensions apparentes des amas sur le ciel, l’autre basée sur leur luminosité apparente, que Trumpler réalisa que le milieu interstellaire n’était pas vide et contenait
de la matière absorbant la lumière.
On se propose d’estimer les distances de six amas d’étoiles du disque de la Voie Lactée en se
basant sur ces deux méthodes différentes L’une étant affectée par l’absorption de la lumière
dans le milieu interstellaire et l’autre non, on pourra alors estimer la quantité de lumière
effectivement absorbée par les gaz et les poussières présents entre les étoiles. Par ailleurs, en
étudiant la répartition des étoiles dans le diagramme HR (Hertzsprung-Russell) et en comparant les diagrammes les uns aux autres on pourra déterminer leurs âges relatifs.
Connaissances mises en oeuvre
Générales
• Echelle d’un document
• Angles et trigonométrie de base dans un triangle
• Le logarithme
Astrophysique
• La définition de la magnitude d’un astre
• Le diagramme de Hertzsprung-Russel d’un amas d’étoile
• Le principe des parallaxes spectroscopiques
• Conférence : chapitre 4
Documents/données/matériel utilisés
•
•
•
•
Une image grand champ de la région du Cocher où l’on voit plusieurs amas d’étoiles
Des images photographiques (noir et blanc) à l’échelle de sept amas d’étoiles
Des diagrammes de Hertzsprung-Russel de ces sept mêmes amas
Le logiciel HOU
Niveau de difficulté
Parties A et D : collège, lycée
Parties B et C : lycée
Les parties A, B et D sont indépendantes
14
M45 (les Pléiades, dans la constellation du Taureau)
M103 (dans la constellation de Cassiopée)
M67 (dans la constellation du Cancer)
M11 (dans la constellation de l’Ecu)
M34 (dans la constellation de Persée)
Les images de cinq amas d’étoiles, de type amas ouvert,
prises avec du matériel d’astronome amateur.
(images Daniel Verheylewegem, atelier d’astronomie
du Collège Jean Moulin, Saint-Amand-Montrond, Cher)
15
L’analyse des temps d’arrivée
des impulsions des pulsars
Objectifs
L’analyse des temps d’arrivée des impulsions radio d’un pulsar est basée sur la comparaison
entre des temps d’arrivée mesurés et des temps d’arrivée prédits par la théorie. En pratique,
on dispose d’un ensemble de paramètres qui décrivent tout ce que l’on sait des mouvements
relatifs de la Terre et du pulsar et ce que l’on connait du pulsar lui-même. On modélise ainsi :
la rotation de la Terre sur son axe, son mouvement orbital autour du Soleil, ce que l’on connaît
de la position ou du mouvement du pulsar par rapport au Soleil, et enfin les caractéristiques
propres de l’émission du pulsar, décrites par sa période et d’éventuelles variations de période.
Tout oubli ou nouveauté dans cette modélisation se traduit par une signature particulière
dans la séquence des temps d’arrivée mesurés par rapport à ceux prédits a priori.
On se propose ici, à partir des mesures de temps d’arrivée de deux pulsars PSR1937+21 et
PSR1821-24 sur une quinzaine d’années, de mettre en évidence :
1) une imprécision sur la période théorique ;
2) la découverte d’un brusque changement de période en juillet 2000, appelé “glitch”
témoin d’un changement dans la structure interne du pulsar ;
3) l’existence d’un “mouvement propre” (déplacement sur le ciel) du pulsar visé.
Connaissances mises en œuvre
Générales
• Relation linéaire
• Projection
• Trigonométrie
• Dérivée
• Fonction y = x.sin(x)
Astrophysique
• Mouvement orbital de la Terre
• Période d’un pulsar
• Effet Doppler
• Mouvement propre
• Conférence : chapitre 6
Documents/données/matériel utilisés
• Séries de temps d’arrivée d’impulsions radios d’un pulsar en fonction de la date d’observation
• (en option) logiciel tableur-grapheur
Niveau de difficulté
Lycée, classes préparatoires, TIPE, 1er cycle universitaire
16
Différence (temps d’arrivée prédits) - (temps d’arrivée mesurés) pour le pulsar milliseconde
PSR1821-24 sur une période d’observation de 15 ans, entre 1990 et 2005...
Effet d’un mouvement propre sur les temps d’arrivée
du pulsar milliseconde PSR1821-24 acquis sur plus de six ans
17
Pulsar binaire et masse d’une étoile à neutrons
Objectifs
On se propose de mettre en évidence le mouvement orbital d’un pulsar autour d’une étoile
compagnon en étudiant sur plusieurs mois la signature périodique dans les temps d’arrivées
mesurées des pulsations en radio. La confrontation de la période observée avec la courbe
de vitesse d’une étoile du voisinage obtenue par des mesures spectroscopiques permettra
d’identifier sans ambiguité le compagnon de ce pulsar binaire. On pourra alors, sur la base de
quelques caractéristiques physiques observables de l’étoile compagnon, déduire la masse de
l’étoile à neutron responsable de l’émission pulsar.
Connaissances mises en œuvre
Générales
• Le logarithme
• Notions de périodes et de phase d’un signal périodique
• L’effet Doppler-Fizeau
Astrophysique
• Quelques notions simples du mouvement dans un système binaire
• La définition de la magnitude d’un astre
• Le diagramme de Hertzsprung-Russell
• Le principe des parallaxes spectroscopiques
• La relation masse-luminosité des étoiles de la séquence principale
• Conférence : chapitre 4, chapitre 7
Documents/données/matériel utilisés
•
•
•
•
•
•
Le relevé des retards/avances temporels des temps d’arrivée du pulsar sur 300 jours
Le relevé des mesures de vitesse radiale de l’étoile compagnon
Les caractéristiques astrophysiques de l’étoile
Un diagramme Hertzsprung-Russell de référence
Le graphe de la relation période-luminosité
(en option) logiciel tableur-grapheur
Niveau de difficulté
Lycée, TIPE, 1er cycle universitaire
18
Un système binaire étoile-pulsar
Variation périodique de la position des raies dans le spectre d’une étoile binaire
Variation périodique des temps d’arrivée d’un pulsar en orbite autour d’une autre étoile
19
Effet Shapiro et masse du Soleil
Objectifs
L’analyse de mesures de temps d’arrivée effectuées sur les impulsions radio d’un pulsar est
faite par comparaison de ces temps d’arrivée mesurés avec des temps d’arrivée calculés ayant
a priori une idée de ses paramètres. En effet, connaissant sa période, sa position dans le ciel,
il est possible de calculer d’avance les instants auquels les impulsions radio vont parvenir au
radiotélescope. Il faut bien évidement également inclure tous les effets de propagation dûs à
la présence de tous les corps du système solaire.
Nous utiliserons des données de mesures de temps d’arrivée du pulsar PSR B1821-24 dont
le Soleil s’approche à 1.5 degré chaque année autour de Noël. Les différences temps d’arrivée
observés moins temps d’arrivée calculés ont été ici obtenues sans prendre en compte cette
présence du Soleil. L’effet du champ gravitationnel sur la propagation des ondes radio n’a
donc pas été inclus dans le calcul, et nous pouvons, à partir de la mesure de l’effet visible dans
les données, déterminer la masse du Soleil.
Connaissances mises en œuvre
Générales
• Les angles
• Lecture d’un graphique
• Fonctions logarithmiques et trigonométriques
Astrophysique
• Courbure de la lumière en présence de masse : allongement de trajet
• Chronométrie de pulsar
• Conférence : chapitre 7
Documents/données/matériel utilisés
• La relation de l’effet Shapiro du Soleil
• Une figure avec l’effet Shapiro du Soleil dans les temps d’arrivée du pulsar PSR B182124
• Calculatrice
Niveau de difficulté
Lycée, TIPE, 1er cycle univesrtitaire
20
Observations du pulsar PSR B1821-24 faites avec le radiotélescope de Nançay.
Les différences temps d’arrivée mesurés moins temps d’arrivée calculés sont tracées en fonction de
la date. Ici, l’effet d’allongement du trajet dû au champ gravitationnel du Soleil est aisément visible.
Chaque année autour de Noël, le Soleil passe en effet devant le pulsar
avec une approche au plus près de seulement 1.5 degré.
21
Principe optique des miroirs
du grand radiotélescope
Objectifs
Le grand radiotélescope est un instrument méridien constitué d’un miroir primaire plan de
200 m x 40 m, d’un miroir secondaire sphérique de 300 m x 35 m et d’un récepteur mobile.
L’un des objectifs de cet exercice est de montrer que, de par sa conception, le grand radiotélescope peut suivre une source radio pendant une heure. En effet, son champ de vision latéral
est de 15° comme doivent le montrer les constructions géométriques.
On aborde les notions suivantes :
• Construction du trajet optique d’une onde,
• Réflexion sur un miroir plan et sur un miroir sphérique,
• Mouvement apparent des astres,
• Surface focale.
Connaissances mises en œuvre
Générales
• Lois de Descartes
• Droites parallèles
• Angles
• Cercles
• Symétrie centrale
• Symétrie axiale
Documents/données/matériel utilisés
• Schéma des deux miroirs du grand radiotélescope vus de dessus à l’échelle 1/2400.
Niveau de difficulté
Lycée
22
23
Les ondes électromagnétiques
Objectifs
Faire découvrir le spectre des ondes électromagnétiques, la diversité de ces ondes et de leurs
applications.
Retenir que la lumière (et les ondes électromagnétiques) peut se propager dans le vide et
mémoriser la valeur de la vitesse de la lumière dans le vide.
Citer quelques ordres de grandeur des distances dans l’Univers ou des durées de propagation
de la lumière qui leur correspondent.
Connaissances mises en œuvre
Générales
• Spectre, décomposition de la lumière à l’aide d’un prisme ou d’un réseau
• Les sources de lumière, la propagation rectiligne de la lumière, modèle du rayon de
lumière.
Documents/données/matériel utilisés
• Documents à lire et questionnaires associés
• Accès à Internet ou à une encyclopédie (CDI)
Niveau de difficulté
Collège (classe de 4e)
24
Expériences :
Écouter le pulsar
Objectifs
Pour illustrer une partie de la chaîne d’acquisition du grand radiotélescope, on propose une
série de trois expériences autour de la perception et du traitement d’un signal sonore périodique.
- On évalue la période d’un pusar à l’aide d’un chronomètre et d’une retranscription
sonore du signal d’un pulsar (chronométrie du signal pulsé).
- On détermine la fréquence fondamentale d’un son en réalisant une acquisition du
signal et en le traitant avec un logiciel qui donne le spectre en fréquence par analyse de
Fourier (analyse spectrale).
- On fait passer un son d’une fréquence inaudible à une fréquence audible en multipliant le signal entrant par un signal de fréquence voisine, puis en le filtrant (technique
hétérodyne).
Connaissances mises en œuvre
Générales
• Caractéristiques d’un système périodique
• Spectre d’un signal
Documents/données/matériel utilisés
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
“Sons” de pulsars (disponibles sur le CD-rom)
Chronomètre
Bande son et son lecteur
Un micro relié à une interface Orphy
Logiciel Regressi ou autre (praat : logiciel gratuit)
Deux générateurs basses fréquences
Un multiplieur et son alimentation
Un conducteur ohmique R = 1 kHz
Un condensateur C = 0,5 F
Un haut-parleur
Un oscilloscope à mémoire
Niveau de difficulté
Lycée
25
Expériences :
pulsars, ondes radio, principe d’un radiotélescope
Objectifs
La fiche présente un ensemble d’expériences sur les ondes radio à faire en classe ou à venir
découvrir pour certaines à l’Espace Ciel Ouvert en Sologne (http://www.cielouvert.obs-nancay.fr/ ; accueil du public et des groupes scolaires pour les visites de la station et des ateliers
pédagogiques).
On propose ici quatre montages ou expériences pour :
1) prendre conscience de la sensibilité des récepteurs radios aux interférences ;
2) découvrir que les ondes radio ne sont pas des ondes sonores, qu’elles peuvent être
réfléchies par certains matériaux ou que d’autres les laissent passer, etc. ;
3) construire un “télescope“ à deux miroirs qui focalise les ondes sur le principe du grand
radiotélescope de Nançay ;
4) simuler la détection d’un pulsar au moyen d’un gyrophare et d’une photodiode.
Documents/données/matériel utilisés
• Allume gaz piezzo-électrique
• Poste de radio
• Un émetteur et un récepteur d’ondes centimétriques (3-cm / 10 Ghz)
• Plaques de verre, de carton, de grillage (mailles ~2 mm et ~5cm) et de métal
•
•
•
•
•
Voltmètre
Un projecteur de lumière sur pied (lampe 12V, 55W) muni d’un collimateur.
Un miroir plan circulaire sur pied
Un miroir concave circulaire sur pied
Un écran
•
•
•
•
•
Un gyrophare à pile ou une lampe de poche montée sur un support tournant
Une alimentation stabilisée (3V =)
Une photodiode
Un conducteur ohmique R = 100 Ω
Une interface informatisée ou un oscilloscope à mémoire
Niveau de difficulté
Lycée, collège
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Principe d’un radiotélescope
Générer des interférences radio
27
Questionnaires
Objectifs :
Un ensemble de QCMs et questionnaires sont proposés pour l’exploitation des films et la
réactivation des connaissances
Documents/données/matériel utilisés
• Les différents films présents sur le DVD
Niveau de difficulté
Collège, lycée
Exemples
En quelle année a-t-on découvert les pulsars ? Cette découverte a été faite :
• Par des chercheurs américains ?
• Par des chercheurs anglais ?
• Par ordinateur ?
• Par hasard ?
L’instrument ayant découvert les pulsars a été conçu pour étudier :
• Les pulsars ?
• Les extra-terrestres ?
• Les radiosources extragalactiques ?
• Les exo planètes ?
Pour devenir un pulsar, une étoile doit :
• Etre jeune ?
• Peser au moins 10 masses solaire ?
• Peser au moins 1,4 masse solaire ?
Les étoiles sont:
• Des corps rocheux dont le diamètre moyen s’exprime en milliers de km ?
• Des boules de gaz dont le diamètre moyen s’exprime en centaines de milliers de km ?
• Des objets ponctuels (diamètre = 0 km), de nature indéfinie ?
Les étoiles se forment par contraction gravitationnelle d’un nuage de gaz et de poussière :
• Dans une nébuleuse planétaire (exemple: M57, la nébuleuse annulaire de la Lyre) ?
• Dans une nébuleuse diffuse (exemple : M42, la grande nébuleuse d’Orion) ?
• Dans un amas globulaire (exemple : M13, dans la constellation d’Hercule) ?
28
La bande originale des films
Musique de Patrick Sintès
Conception musicale et improvisation sur la base des signaux pulsés
Pulsation, voici sans doute le premier mot qui vient à l’esprit quand on est musicien et que
l’on entend parler d’un pulsar. L’envie d’écouter la structure rythmique issue de la rotation
rapide d’une étoile lointaine vient donc très rapidement. Il faut peu de temps pour imaginer
pouvoir réutiliser les informations captées par le radiotélescope, et s’en servir dans le cadre
d’une création musicale.
L’idée d’associer les sonorités d’instruments acoustiques avec des signaux purement électroniques, issus des antennes du radiotélescope a pour but de tenter de retrouver cette ambiance
contrastée et si particulière qui surprend la première fois que l’on visite le site du radiotélescope. Les sonorités acoustiques et la chaleur naturelle d’un instrument comme la contrebasse
dégagent une ambiance sonore qui peut évoquer facilement la douceur des forêts de Sologne.
Des sonorités électroniques et des instruments de percussions se rapprochent en revanche des
mécanismes et mouvements de l’instrument astronomique.
La première partie du travail est réalisée par une équipe de chercheurs du CNRS qui va ainsi
récupérer des données brutes captées par le radiotélescope puis les encoder sous forme de
fichiers informatiques de type audio-numérique. L’écoute des trépidations régulières d’un
pulsar peut s’apparenter facilement aux craquements d’un vieux disque vinyle fatigué. C’est
donc par un juste retour des choses que la suite du traitement s’apparente au travail d’un DJ
(disc-jockey). Le DJ reprend plusieurs sources sonores pour les travailler, les remixer dans le
but de créer une musique inédite. Le recours à un logiciel spécialisé a permis dans le même esprit de synchroniser plusieurs sources sonores puis de transformer des paramètres qui seront
déterminants dans le résultat esthétique final : tempo, hauteur, filtres qui permettent d’isoler
et renforcer certaines fréquences. Les irrégularités dues à des interférences dans la réception
du signal perturbent en temps normal le travail des chercheurs. Elles seront ici au contraire
recherchées et exploitées afin de fournir des variations inédites et donc intéressantes sur le
plan rythmique et musical. Ce jeu avec la matière sonore manipulée depuis un ordinateur
ou des périphériques dédiés (contrôleur midi) est donc au final très similaire à celui d’un
DJ qui préfère utiliser bien sûr comme sources sonores de véritables disques vinyls ou pour
la nouvelle génération, des fichiers audio-numériques de type MP3. Les données transitent
ensuite par une série de processeurs d’effets sonores destinés à embellir encore le résultat final
et permettre de nouvelles possibilités de travail de la matière en temps réel (harmoniseur, modulateur en anneau, réverbération, écho, phasing, etc.). Tout ce travail de traitement permet
de refondre entièrement les échantillons sonores utilisés au départ et donne ainsi un résultat
plus proche de nos critères d’appréciation esthétiques ou artistiques.
On peut d’abord écouter seules (sans instruments ajoutés) les pièces ainsi obtenues qui peuvent sembler familières au premier abord aux amateurs de musiques électroniques ou abstraites (plages 1-4-7-10-13). La troisième et dernière partie du travail peut alors commencer
avec l’ajout des instruments acoustiques (batterie, contrebasse, piano).
Souvent improvisées (Décompte à rebours, À l’épreuve du temps, eSPeRance), ces pièces sont
dans un esprit qui oscille entre free jazz et musique contemporaine. Parfois plus écrites (Jolie
ballade, MéloMélé) et mélodiques, elles dégagent alors un caractère apaisant qui émousse légèrement le tranchant des arrêtes métalliques de l’instrument astronomique.
Liste des titres (42 minutes)
1
PSR0329+54/PSR0833-45 (remix)
2
Pulsar samba
3
eSPeRance
4
PSR0355+54 (remix)
5
Improvisation libre #0355
6
Jolie ballade
7
PSR0833-45/PSR1133+16 (remix)
8
Décompte à rebours
9
Tropical mixture
10 PSR0950+08 (remix)
11 A l’épreuve du temps
12 MéloMélé
13 PSR0833-45/PSR0329+54 (remix)
Patrick Sintès : contrebasses, piano, mixages et arrangements
Gilles Theureau : batterie