Afin de mettre en évidence les qualités de votre
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L’espace… A vos idées ! – Concours ODYSSEUS II Fiche projet Afin de mettre en évidence les qualités de votre candidature au concours Odysseus, nous vous conseillons de compléter la totalité de la fiche projet ci-dessous. Prenez en considération les différentes suggestions qui y sont faites, afin de soumettre votre candidature dans les meilleures conditions et permettre aux évaluateurs de mieux comprendre les objectifs et la méthodologie de votre travail. Pour votre information, les différents paramètres présentés dans ce document correspondent aux critères d’évaluation du projet. Toutes les parties doivent être complétées. La fiche projet du concours Odysseus peut être complétée dans n’importe quelle langue officielle de la Communauté européenne. Entrez votre texte dans les espaces réservés pour chaque partie. La totalité des contenus de cette fiche ne doit pas dépasser 3000 mots (en excluant les références documentaires). La longueur maximum de chacune des sections est précisée au début de chacune d’entre elles. Remplacer la mention “Titre du projet » en bas de page par le titre de votre projet. Notez la catégorie à laquelle vous participez ainsi que le nom de votre équipe (pour la catégorie Pioneers ) Pour chacune des cases, supprimer les indications avant d’intégrer votre texte. You can add to this worksheet other files (images, videos…) and weblinks as described in the contest’s rules : http://www.odysseus-contest.eu/rules/onlinesubmission/ Vous pouvez associer à cette fiche projet d’autres fichiers (images, vidéos…) et des liens internet, comme cela est précisé dans le règlement du concours : http://www.odysseus-contest.eu/fr/reglement/soumission-en-ligne/ Bonne chance! Chasse à l’exoplanète, un sport de collégien? 1 Titre du projet: Chasse à l’exoplanète, un sport de collégien ? Sujet pour lequel la candidature est soumise : Autre catégorie Nom de l’équipe: les chasseurs d’exoplanètes (pour la catégorie Pioneers) Résumé (max. 400 mots) Un peu partout ces derniers temps, nous entendons parler que des scientifiques découvrent de nouvelles planètes autour d’autres étoiles que le Soleil. Nous avons deux objectifs : - Montrer que ces méthodes de détection sont accessibles pour des collégiens, et faciles à expliquer. - Montrer que des collégiens peuvent contribuer à la recherche d’exoplanètes. Pour ce projet, nous avons demandé des conseils à plusieurs personnes : Stéphane Basa, laboratoire d’Astrophysique de Marseille Cyrille Baudouin, centre de physique des particules de Marseille Fernand Emering, président honoraire des « astronomes amateurs du Luxembourg » Les lycéens de Notre Dame d’Espérance, à Saint-Nazaire, nous ont aussi apporté de l’aide. Pour notre 1er objectif, nous avons étudié trois méthodes, en fabriquant à chaque fois des maquettes : - La méthode par imagerie directe : Cette méthode, facile à comprendre, nécessite du matériel professionnel de très haute qualité. - La méthode des transits planétaires : Cette méthode est aussi assez facile à comprendre. De plus, on a vu que nous pouvions l’utiliser pour détecter des exoplanètes. Pour finir, nous avons vu aussi que cette méthode permet d’obtenir plusieurs caractéristiques sur l’exoplanète. - La méthode par vitesse radiale : Cette méthode, basée sur l’effet Doppler-Fizeau, est plus compliquée à comprendre. Cependant, plusieurs maquettes Chasse à l’exoplanète, un sport de collégien? 2 peuvent l’illustrer. Nous avons vu que cette méthode n’est pas envisageable pour nous afin de détecter une exoplanète. Pour le 2ème objectif, nous avons utilisé deux méthodes : - En utilisant du matériel prêté par « Astro à l’Ecole », soit une lunette de 80 mm avec un appareil photo. Nous n’avons pas réussi à cause d’erreurs de notre part. La méthode reste, nous pensons, possible. - En utilisant le télescope pilotable à distance IRIS, situé à l’Observatoire de Haute Provence. C’est un succès, nous avons pu détecter trois exoplanètes par la méthode de transit planétaire. Au final, nous avons montré que les méthodes pour détecter les exoplanètes étaient abordables pour des élèves de collège. De plus, il est même possible de participer à l’aventure en détectant nous même des exoplanètes par la méthode du transit planétaire. Chasse à l’exoplanète, un sport de collégien? 3 Concept-clé du projet (max. 600 mots) Un peu partout ces derniers temps, nous entendons parler de la découverte de nouvelles planètes tournant autour d’autres étoiles que le Soleil. (montage photo que nous avons réalisé) Comme certains d’entre nous avaient une petite expérience sur l’astronomie, (grâce au club astronomie du collège) nous avons fait le choix de travailler sur les exoplanètes pour voir ce que nous pourrions arriver à faire. Même si c’est un sujet d’actualité, nous avions peur qu’il soit un peu trop compliqué pour nous. Après avoir fait quelques recherches, nous nous sommes rendu compte que ce sujet était finalement à notre porté, mais à condition de se limiter à des situations simples. Nous avons donc choisi de traiter ce sujet suivant un angle particulier, en essayant de répondre à ces deux objectifs : Chasse à l’exoplanète, un sport de collégien? 4 - Montrer que plusieurs méthodes de détection d’exoplanète sont accessibles pour des élèves en collège, et faciles à expliquer. Montrer que des collégiens motivés peuvent contribuer à la recherche d’exoplanètes. Pour le 1er objectif, nous avons ainsi cherché à traiter ce sujet de la façon la plus simple possible, sans rentrer dans les détails, pour montrer que le thème n’est pas trop compliqué pour des élèves de collège. Nous avons ainsi choisi de réaliser un maximum de maquettes afin de bien pouvoir expliquer les différentes méthodes pour détecter une exoplanète, comme on pourrait le voir dans une émission comme « C’est pas Sorcier », dans le but de les utiliser lors d’une présentation à l’oral. Nous avons donc aussi fait le choix de nous limiter à des situations simples : - Etudier le cas d’une étoile qui n’aurait qu’une exoplanète avec une trajectoire circulaire. Ne pas aborder les méthodes de détection d’exoplanètes trop compliquées. Limiter l’utilisation des lois mathématiques à ce que nous avons l’habitude de faire en collège. Pour notre 2ème objectif, soit voir s’il était possible de détecter une exoplanète nous-même, nous avons testé deux méthodes différentes : - Sur le stade de notre collège avec une petite lunette astronomique prêté par Astro à l’Ecole depuis quelques années. Avec le télescope pilotable à distance IRIS, que nous avions déjà utilisé l’année précédente pour un autre projet. Comme cela, nous pourrons comparer leurs avantages et inconvénients. Ensuite, nous avons vu que pour exploiter toutes les photos afin de détecter l’exoplanète, il existe deux méthodes : - Utiliser le logiciel Muniwin, qui fait tout tout seul. - Utiliser le logiciel SalsaJ, qui demande de traiter les photos une par une « A la main ». Nous avons choisi la 1ère méthode, toujours dans l’esprit de traiter le sujet de façon la plus abordable possible. Par chance, cependant, notre professeur a été contacté par les élèves du lycée de Notre Dame d’Espérance, à Saint-Nazaire, pour travailler ensemble et partager nos photos. Ces élèves travaillent en utilisant le logiciel SalsaJ. Grâce à eux, nous pourrons comparer les deux méthodes, et savoir comment cela fonctionne lorsque l’on fait tout « tout seul ». Chasse à l’exoplanète, un sport de collégien? 5 Pour ne pas demander de l’aide à notre professeur trop souvent, nous avons demandé des conseils à plusieurs personnes. Nous en avons trouvé certaines nous-mêmes et pour d’autres, c’est notre professeur qui nous a donné leurs adresses mail : - Stéphane Basa, astrophysicien au laboratoire d’Astrophysique de Marseille. Il pilote le projet IRIS Cyrille Baudouin, du centre de physique des particules de Marseille. Il travaille aussi sur le projet IRIS. Fernand Emering, président honoraire des « astronomes amateurs du Luxembourg » Les lycéens de Notre Dame d’Espérance, à Saint-Nazaire, nous ont donc aussi apporté de l’aide. Chasse à l’exoplanète, un sport de collégien? 6 Méthodologie et mise en oeuvre (max. 1000 mots) Premier objectif « Montrer que les méthodes de détection des exoplanètes sont accessibles pour des collégiens et faciles à expliquer. » Nous avons principalement travaillé avec le site http://media4.obspm.fr/, crée par l’observatoire de Paris. Nous l’avons jugé très fiable. Aussi, nous avons souhaité travailler sur des maquettes pour comprendre les informations que l’on a trouvé, mais aussi pour les utiliser lors d’une présentation. - Pour illustrer la méthode par imagerie directe, nous avons utilisé pour représenter l’étoile un globe lumineux. Pour représenter l’exoplanète, nous avons utilisé une petite ampoule branchée sur une pile de 4,5V. Nous prendrons par la suite des photos à différentes distances pour montrer le problème de cette méthode. - Pour illustrer la méthode des transits planétaires, nous avons fabriqué une autre maquette : Nous faisons passer une petite boule en polystyrène devant le globe lumineux de l’expérience précédente. Un luxmètre relié à un PC permet de tracer la courbe de luminosité. La petite boule représente l’exoplanète et le globe lumineux l’étoile. Nous utilisons pour le déplacement de l’exoplanète des briques de Lego programmable EV3 reliés à un moteur. Chasse à l’exoplanète, un sport de collégien? 7 Chasse à l’exoplanète, un sport de collégien? 8 Un système d’engrenages permet de limiter la vitesse minimale du moteur, trop importante : A l’aide de cette maquette, nous pourrons réaliser plusieurs expériences. Nous avons aussi fabriqué une maquette pour illustrer la 3ème loi de Kepler, que nous avons découverte durant nos recherches : Nous avons tendu un tissu sur le dessus d’une poubelle et poser au centre une boule assez lourde, qui représentera l’étoile. La pente sur le tissu représentera l’intensité de la gravité fabriquée par l’étoile. En faisant rouler une bille sur ce tissu, on montre que lorsque la bille est éloignée de l’étoile, et doit tourner lentement pour décrire un cercle autour de l’étoile et lorsqu’elle est proche de l’étoile, et doit tourner plus vite. Une vidéo de cette maquette est en pièce jointe. Chasse à l’exoplanète, un sport de collégien? 9 - Pour illustrer la méthode de la vitesse radiale, nous avons fabriqué deux maquettes : Nous illustrons le fait que par gravité, l’étoile va légèrement être attiré par sa planète, et décrire une trajectoire circulaire. Pour cela, nous avons placé des aimants dans des boules et utilisé des Lego : Pour la deuxième maquette, Nous plaçons dans un sac plastique un petit buzzer soudé sur une pile que l’on fait tourner autour de notre tête. On observe que le son change. Nous montrons par cette expérience l’analogie entre l’effet DopplerFizeau sur la lumière et celui du son, mieux connu. Deuxième objectif « Montrer que des collégiens peuvent contribuer à la recherche d’exoplanètes ». Pour commencer, ne sachant pas par quoi commencé, nous avons contacté par mail M. Baudouin, qui travaille au centre de physique des particules de Marseille. Il nous a conseillé d’utiliser le site suivant pour tester notre matériel sur une cible déjà connue : Chasse à l’exoplanète, un sport de collégien? 10 http://var2.astro.cz/tresca/transits-prediction.php Il suffit de préciser la latitude et la longitude de notre collège, et une liste d’exoplanète est proposée pour la date choisie : Une cible parfaite commence son transit en pleine nuit, est haute dans le ciel, a son étoile brillante et possède un puits de lumière important. Ici, HAT-P-32 b serait une cible correcte, même si elle est un peu basse dans le ciel sur la fin. Dans notre collège, nous avons une lunette de 8cm sur une monture motorisée. (ED80 sur EQ5). Nous avons aussi un appareil photo (CANON 1100D). C’est du matériel prêté par le groupe Astro à l’Ecole. Comme nous ne savons pas s’il est suffisant, nous avons parcouru sur le site précédant les transits existant d’exoplanète et nous avons regardé le matériel utilisé. On a trouvé beaucoup d’exoplanètes fonctionnant avec du petit matériel, mais souvent avec des caméras CCD et pas des appareils photos. Nous avons ensuite trouvé quelqu’un qui a utilisé un gros télescope mais avec le même appareil photo que le nôtre, M. Emering : Chasse à l’exoplanète, un sport de collégien? 11 Nous l’avons contacté par mail : par chance, ce monsieur est président d’une grosse association d’astronomie au Luxembourg, et il parle Français. Il nous a répondu qu’il était possible que cela fonctionne si on choisissait bien notre exoplanète. Il nous a aussi donné des conseils techniques sur les réglages à faire. Nous choisissons l’exoplanète CoRoT- 1b, qui n’a que des avantages, sauf une luminosité très faible. Lors de la soirée notre professeur nous a beaucoup aider pour l’installation et l’utilisation du matériel. Au final, nous avons eu beaucoup de problèmes et il a fallu lancer les photos alors que nous n’étions pas certains de bien viser l’étoile qui nous intéressait. Nous prendrons 81 photos avec des poses de 3 min à chaque fois. (ISO 1600). Nous souhaitons aussi tester ce type de détection avec un télescope beaucoup plus performant que notre lunette : le télescope IRIS http://iris.lam.fr/ C’est un télescope de 50 cm de grande qualité. Il est pilotable à distance et il est situé à l’Observatoire de Haute-Provence. (A côté du télescope qui a découvert la 1ère exoplanète !) Chasse à l’exoplanète, un sport de collégien? 12 Nous avons eu cette idée car nous l’avons déjà utilisé l’an dernier pour un autre projet. Il est très facile à utiliser. Chasse à l’exoplanète, un sport de collégien? 13 Cependant, comme nous avons décidé de faire ce projet assez tard, M. Bonnafous n’a pas pu déposer pour nous ce projet pour obtenir des nuits d’observation. Nous avons alors contacté M. Basa, astrophysicien au laboratoire d’Astrophysique de Marseille qui s’occupe du télescope, pour savoir s’il ne pouvait pas nous trouver un peu de temps d’observation. Nous avons eu de la chance car comme plusieurs samedis étaient libres, il nous les a attribués. Pour notre 1ère soirée, nous choisissons la cible XO-1b à l’aide du site http://var2.astro.cz/tresca/transits-prediction.php : M. Basa nous donne aussi des conseils sur les réglages à faire pour prendre les photos d’une exoplanète. Pour notre 2ème nuit, le choix se porte sur WASP-104b et TrES-3b Chasse à l’exoplanète, un sport de collégien? 14 Avant notre deuxième nuit d’observation avec IRIS, notre professeur a été contacté par un Lycée de Saint-Nazaire. (Voir la version complète pour plus d’informations.) Chasse à l’exoplanète, un sport de collégien? 15 Impact pour la société (max. 200 mots) Les médias parlent depuis plusieurs années des nombreuses avancées faites en astronomie, notamment la découverte de nouvelles exoplanètes. Notre projet a montré qu’il est tout à fait possible pour des collégiens de travailler sur ce domaine. C’est un sujet concret qui permet de demande de travailler sur des expériences, faire des mathématiques, de la physique, et donc de donner ou de renforcer le gout pour les sciences. De plus, il est même possible, en se lançant dans la détection d’exoplanètes, de publier ses résultats et d’apporter une petite pierre à la science. Notre projet a donc montré que l’étude des exoplanètes peut permettre à des élèves de collège de faire de l’astronomie très concrètement sur un sujet assez populaire ces derniers temps. Impact durable pour l’environnement (max. 200 mots) La recherche d’exoplanète sert à deux choses : C’est une étape indispensable pour peut-être, un jour, trouver une autre planète habitable. C’est important car on sait que l’humanité ne pourra pas rester sur la Terre éternellement. Ainsi, cela nous rappelle qu’actuellement, notre planète est la seule que nous ayons. Il faut donc à tout prix la préserver car il faudra encore beaucoup de temps pour pouvoir se rendre sur une autre planète habitable. Chasse à l’exoplanète, un sport de collégien? 16 Résultats et conclusions (max. 600 mots) I. Etudier une exoplanète La méthode par imagerie directe est simple à comprendre : on détecte sur une image la faible lumière d'une planète à côté de son étoile. Elle est cependant très compliquée à utiliser car lorsque l’on s’éloigne de l’exoplanète, sa lumière est vite noyée dans celle de son étoile, comme on peut le voir sur nos photos cidessous : Chasse à l’exoplanète, un sport de collégien? 17 La méthode des transits planétaires est aussi assez simple à comprendre : Si on a la chance d'observer un système étoile-planète exactement "par la tranche", alors on peut assister à un transit de la planète devant son étoile, c’està-dire que la planète passe entre nous et son étoile. Lors de ce transit, une partie de la lumière de l’étoile est cachée par la planète. Ainsi, le signal lumineux en provenance de l'étoile chute légèrement durant ce passage. Avec notre maquette, on a obtenu les résultats suivant : Chasse à l’exoplanète, un sport de collégien? 18 Nous avons aussi vu que ces courbes permettaient d’obtenir des informations sur l’exoplanète. (voir la version « exposé » de notre projet ) La méthode par la vitesse radiale est plus compliquée car basée l'effet Doppler-Fizeau. Cependant, plusieurs maquettes et expériences nous ont permis de bien comprendre et de pouvoir expliquer ce phénomène. (voir la version « exposé » de notre projet ) II. Détecter une exoplanète par la méthode de transit planétaire Avec la lunette ED 80 et son appareil photo, c’est un échec. Nous n’arrivons pas à trouver notre étoile sur nos photos. Sur la photo suivante tirée du site http://var2.astro.cz, elle est au centre : Chasse à l’exoplanète, un sport de collégien? 19 Et voilà ci-dessous l’une de nos photos. Le cadre bleu correspond environ à la taille de la photo précédente. De plus, l’étoile que l’on cherche doit être brillante comme les moins brillantes de notre photo. L’utilisation du logiciel Muniwin nous apprendra que sur les étoiles de faibles intensités de notre photo, moins d’une dizaine de photos sur les 81 prises sont utilisables par le logiciel pour tracer la courbe de luminosité, ce qui est trop faible. Conclusion de cet essai : - Il est important de vérifier que l’étoile est bien dans le champ avant de lancer toutes les photos. - Pour notre matériel, il est important de choisir une étoile assez lumineuse. Chasse à l’exoplanète, un sport de collégien? 20 - La préparation et l’utilisation de la lunette sont très compliquées : nous serions incapables de refaire cette soirée sans une aide importante de notre professeur. Ainsi, on a vu aussi que détecter une exoplanète avec du matériel amateur est possible, mais demande de grandes connaissances sur l’utilisation du matériel et des logiciels. Avec le télescope pilotable à distance IRIS, trouver l’étoile qui nous intéresse est très facile car elle est au centre de l’image. Nous obtenons de bons résultats en utilisant le logiciel Muniwin. XO-1b : TrES-3b : Chasse à l’exoplanète, un sport de collégien? 21 WASP-104b : Avec du matériel semi-professionnel comme le télescope IRIS, il est donc très facile de détecter une exoplanète. Cela demande cependant de déposer un dossier à l’avance pour obtenir du temps d’observation. Chasse à l’exoplanète, un sport de collégien? 22 III. Détecter une exoplanète par la méthode de la vitesse radiale Nous avons fait un essai avec un réseau pour voir si on pouvait utiliser le télescope IRIS pour détecter une planète par la méthode radiale. Nous avons vu que cette méthode n’est pas possible avec ce matériel. Lors de ce projet, nous pensons avoir montrer que l’étude des exoplanètes est possible pour des élèves en collège. De plus, nous avons montré qu’il était même possible d’en détecter. Nous avons vu aussi que plusieurs formules mathématiques permettaient de connaitre des informations sur l’exoplanète. Pour plus de détails, vous pouvez consulter la version « exposé ». Chasse à l’exoplanète, un sport de collégien? 23 Ressources Sites internet : - - http://iris.lam.fr/ (site du télescope IRIS) de décembre 2016 à février 2017. http://media4.obspm.fr/ (observatoire de Paris, projet « Astrophysique sur Mesure ») de octobre 2016 à janvier 2017 http://var2.astro.cz (site répertoriant les exoplanètes connues, avec de nombreuses informations pour préparer une soirée) de octobre 2016 à mars 2017 https://fr.wikipedia.org décembre 2016 Ouvrage : - Cahier Clairaut N°135, Automne 2011, Tutoriel pour observer un transit d'exoplanète Remerciements pour l’aide apportée : - Astro à l'Ecole Stéphane Basa, laboratoire d’Astrophysique de Marseille Cyrille Baudouin, centre de physique des particules de Marseille Fernand Emering, président honoraire des « astronomes amateurs du Luxembourg » Les lycéens de Notre Dame d’Espérance, à Saint-Nazaire (voir la version complète de notre rapport pour les détails) Logiciels gratuits utilisés : - EOS utility (pour la gestion de l’appareil photo) Muniwin (pour traiter les images et tracer la courbe de luminosité) PHD guiding 2 (pour la gestion de la caméra d’autoguidage) Stellarium (pour la gestion de la monture du télescope) Stellarium scope (pour la gestion de la monture du télescope) Chasse à l’exoplanète, un sport de collégien? 24
