Classe de seconde Physique Chimie
Etude du spectre d’une étoile
Est-il possible de déterminer la nature de certaines espèces chimiques présentes dans une étoile ?
Dans l'Antiquité, les étoiles étaient considérées comme des points lumineux placés sur la sphère des fixes. Même du
Soleil qui à l'époque n'était pas considéré comme une étoile, on n'avait qu'une idée bien vague, Anaxagore (500-428 av
JC) y voyait une masse de métal chauffée au rouge et Aristote (environ 350 av JC) pensait qu'il était fait de Feu pur.
Jusqu'au 19ème siècle la structure du Soleil et l'origine de son énergie restaient sans réponse. Quant à sa composition, elle
semblait impossible à atteindre. A ce sujet, Auguste Comte écrivait en 1835 dans son cours de philosophie positive : "on
ne connaîtra jamais cette composition chimique car il est impensable que l'on puisse la déterminer à distance".
Et pourtant, ....aujourd'hui, on peut déterminer la présence d'espèces chimiques dans des étoiles et dans des galaxies
lointaines.
1°) Etude préliminaire
La lumière que les étoiles nous envoient peut être analysée à l’aide d’un spectroscope. Cette étude nous fournit
des renseignements précieux sur cet astre.
Les étoiles émettent un spectre continu produit par les régions internes qui sont très chaudes ; le rayonnement
traverse ensuite les régions superficielles qui sont plus froides et jouent le rôle d’un absorbant. Le spectre d’une
étoile se présente donc comme un spectre continu comportant de nombreuses raies noires (raies d’absorption).
Ce spectre nous renseigne :
- sur la température de l’étoile : plus une étoile est chaude, plus son spectre s’étend sur le violet. On en déduit, de
cette manière, la température de surface de l’étoile.
- sur la composition chimique de l’étoile : les raies d’absorption du spectre continu d’une étoile permettent de
déterminer la nature des éléments présents dans les couches superficielles de l’étoile (où ces éléments existent à
l’état atomique). De plus, ces raies d’absorption caractéristiques d’un élément sont d’autant plus noires que cet
élément est présent en plus grande quantité.
Etude d’un spectre de lumière.
1. Le spectre de la lumière provenant d’un étoile comporte des raies noires sur un fond continu. A quoi
correspond le fond continu ? Pourquoi observe-t-on des raies noires sur ce spectre ?
2. Les fonds continus des spectres de trois étoiles différentes sont les suivants :
Classer ces étoiles par température de surface croissante.
3. L’observation du spectre de la lumière provenant d’une étoile mystérieuse donne :
On sait que la couche superficielle de cette étoile n’est constituée que d’un seul élément, X ou Y. Les spectres
d’émission de ces éléments sont connus et donnés ci-dessous. Quel est celui contenu dans la couche qui entoure
l’étoile ?
X
Y
Etoile 1
Etoile 2
Etoile 3
2°) Etude du spectre de l’étoile Rigel
A. Observation du document.
Au centre du document se trouve le spectre de l’étoile de Rigel. Ce spectre est une bande grisée sur laquelle se
trouvent des raies noires. Sur les côtés du document, se trouve le spectre de l’argon en raies blanches sur fond
noir. La valeur en longueur d’onde de certaines raies du spectre de l’argon ont été repérées. On cherche à
déterminer la position de certaines des raies de l’étoile de Rigel.
a. Photographie du spectre de l'étoile Rigel de la constellation d'Orion.
Cette photographie est en noir et blanc (la couleur n'apporte pas d'informations supplémentaires dans
le cadre de l'étude des spectres des étoiles). Le spectre couvre l'ensemble du domaine du visible, les positions du
violet et du rouge sont indiquées.
* Est-ce un spectre d'émission ou un spectre d'absorption ?
* Est-ce un spectre continu ou un spectre de raies ?
* A partir de ce document est-il possible de déterminer la longueur d'onde des raies ?
b. Spectre de l'argon.
* Le spectre de l'argon correspond-il à un spectre d'émission ou un spectre d'absorption ? Pourquoi ?
* Est-ce un spectre continu ou un spectre de raies ?
* A partir du second document, proposer une méthode pour déterminer la longueur d'onde des raies
numérotées et reconnaître les espèces chimiques responsables de ces raies.
B. Analyse du spectre :
a. Tracé de la courbe d’étalonnage.
Tracer le graphe représentant la longueur d’onde des radiations émises par l’Argon ( en nm) en fonction de la
longueur mesurée ( en cm ) sur le spectre entre la radiation et la radiation de référence à 420 nm.
L (cm)
λ (nm)
b. Détermination des longueurs d’onde des raies absorbées de l’étoile de Rigel.
Mesurer sur le spectre de l’étoile de Rigel les longueurs séparant les raies absorbées numérotées et la raie de
référence à 420 nm. D’après la courbe étalonnage tracée, en déduire les longueurs d’ondes correspondantes.
Raie
N°
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
L (cm)
λ (nm)
- Après avoir rempli ce tableau, identifier les espèces chimiques responsables des raies en s’aidant du document
donné en annexe.
- Le travail effectué, implique-t-il qu'il n'y a pas d'autres espèces chimiques présentent dans l'enveloppe externe
de l'étoile ?
- La présence d'atomes d'hydrogène H a été détectée (raies H, H, H), pourquoi les raies H, H, n'ont pas été
détectées ?
Références à utiliser
Hydrogène H : H 656,3nm ; H 486,1nm ; H 434,2nm ;
H 410,3nm ; H 397,1nm.
Hélium He : 388,9nm ; 404,6nm ; 414,4nm ;
447,1nm; 471,3nm ; 492,5nm ; 501,6nm ;
504,8 nm : 587,6nm ; 667,8nm ; 706,5nm ;
728,1nm.
He+ : 30,3nm ; 164,1nm ; 486nm.
Magnésium Mg : 383,2nm ; 516,7nm ; 517,3nm ;
518,4nm.
Mg+ : 279,5nm ; 280,3nm ; 448,1nm.
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