Liste des activités décrites dans la ressource

Classe : 1èreSTL
Enseignement : SCIENCES PHYSIQUES ET CHIMIQUES EN LABORATOIRE
Module Image
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Y-A-T-IL DE LA VIE EN DEHORS DU SYSTEME SOLAIRE ?
A LA DECOUVERTE DES EXOPLANETES
Problématique générale de la séquence
Cette séquence est largement inspirée des techniques mises en œuvre et des travaux réalisés sur le site de l’Observatoire de
Haute Provence qui ont permis de mettre en évidence pour la première fois l’existence d’une exoplanète en 1995.
L’objectif de cette séquence est d’étudier et de mettre en œuvre tout ou partie des chaînes image permettant la détection des
exoplanètes (planètes qui se trouvent en dehors de notre système solaire).
Deux méthodes de détection seront étudiées :
- La première méthode consiste à mesurer la variation relative de flux lumineux émis par l’étoile lorsque l’exoplanète passe
entre l’étoile et l’observateur (méthode des transits planétaires).
- La seconde méthode consiste à analyser sa lumière émise (spectroscopie), ce qui peut conduire à la détection des petits
mouvements de l’étoile (liés à la présence de l’exoplanète).
Les informations images obtenues sont différentes dans les deux cas : dans le premier il s’agit de l’image de l’étoile sur laquelle
on effectue des mesures d’intensité lumineuse et dans le second il s’agit du spectre de la lumière de l’étoile.
Organisation de la séquence
Durée : 13 séances de 2 heures
Position dans la progression de l’année
Cette séquence est prévue après l’étude de l’appareil photographique numérique.
Progression succincte de la séquence
La séquence est découpée en cinq parties :
Séance d’ouverture
(1 séance)
Elle est l’occasion d’établir, pour les deux méthodes de détection, la chaîne image et de faire
émerger des pistes d’investigation (déroulement de la séquence, activités de
laboratoires…).Cette séquence est introduite par l’étude d’une revue scientifique ou s’inscrit
dans le cadre de la visite d’un observatoire
Partie 1 (1 séance)
Elle est consacrée à la modélisation du télescope de Newton par une lentille convergente et
à la détermination du champ stellaire observé. Le télescope n’est pas au programme mais il
sera rapidement présenté et modélisé comme un conditionneur d’image au même titre
qu’une lentille.
Partie 2 (6 séances)
Elle traite de la méthode des transits planétaires et du principe des capteurs en astronomie.
Partie 3 (1 séance)
Elle est consacrée à l’étude de la fibre optique qui joue le rôle de guide de lumière entre le
foyer du télescope et le spectrographe.
Partie 4 (4 séances)
Elle traite de la méthode de la mesure de la vitesse radiale de l’étoile.

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Le plan complet de la séquence est donné dans le paragraphe Description des activités proposées. Les documents
ressources complémentaires développent la démarche pédagogique à adopter pour cinq de ces activités. Elles sont
énoncées dans le paragraphe Liste des activités décrites dans la ressource ci-dessous.
Liste des activités décrites dans la ressource
 Comment observer le ciel ? (partie 1)
 Quel est le principe de fonctionnement des capteurs de lumière utilisés en astronomie ? (partie 2)
 Interpréter le chronogramme de sortie du capteur CCD (partie 2)
 Comment détecter le passage d’une planète devant une étoile? La méthode du transit (partie 2)
 Comment déterminer la nature des éléments chimiques de l’atmosphère d’une étoile ? (partie 4)
Description des activités proposées
A. Séance d’ouverture
Cette séquence est introduite par l’étude d’une revue scientifique ou s’inscrit dans le cadre de la visite d’un observatoire.
L’objectif de cette séquence est d’étudier et de mettre en œuvre tout ou partie des chaînes image permettant la détection
des exoplanètes (planètes qui se trouvent en dehors de notre système solaire).
La séance est introduite par l’observation d’une image représentant une portion de la sphère céleste. Un certain nombre
d’étoiles figurent sur l’image.
On étudiera deux méthodes de détection : la méthode du transit et la méthode de détection de la vitesse radiale. L’étoile
est à l’entrée de la chaîne image et sa lumière est collectée par un télescope.
La première méthode consiste à mesurer la variation relative de flux lumineux émis par l’étoile lors du passage de la
planète entre l’observateur et l’étoile (méthode des transits planétaires).
La seconde méthode consiste à analyser sa lumière émise (spectroscopie), ce qui peut conduire à la détection des petits
mouvements de l’étoile (liés à la présence de l’exoplanète).
Les informations images obtenues sont différentes dans les deux cas : dans le premier il s’agit de l’image de l’étoile sur
laquelle on effectue des mesures d’intensité lumineuse et dans le second il s’agit du spectre de la lumière de l’étoile.
1) Objectifs
 Recherche documentaire.
 Etablir, pour les deux méthodes, la chaîne image et ensuite faire émerger des pistes d’investigation (déroulement
de la séquence, activités de laboratoire…).
2) Déroulement
 Qu’est ce qu’une exoplanète ?
 Quelles sont les méthodes de détection d’une exoplanète ?
 Effectuer une recherche d’informations.
3) Liens utiles
 http://media4.obspm.fr/exoplanetes/pages_corot-methodes/detecter.html
 http://www.astronomes.com/c9_origines/p913_autresplan.html
 http://wela.astro.ulg.ac.be/themes/dataproc/deconv/exoplanete/exoplanete_f.html
 http://www.futura-sciences.com/fr/news/t/astronomie/d/la-detection-des-exoplanetes-pour-les-nuls_27274/
 http://www.odyssespace.fr/exoplanetes-detection.php
 http://www.obs-hp.fr/welcome.shtml

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B. Partie 1
Cette partie est entièrement décrite dans le document Partie 1 telescope.doc.
C. Partie 2
Elle traite de la méthode des transits planétaires. Cette partie est consacrée à :
 Une étude expérimentale quantitative du lien entre la grandeur de sortie d’une photodiode et l’éclairement reçu. Il
s’agit de réinvestir les notions vues lors de l’étude de l’appareil photographique pour faire ressortir la nécessité
d’un temps de pose long en astronomie. Un dispositif expérimental avec accumulation de charges sera réalisé. Ces
démarches nécessitent deux séances. Voir la description complète dans le fichier Partie 2 Etude des capteurs en
astronomie.doc, un document élève est joint (Partie 2 fiche élève Etude des capteurs en astronomie.doc).
 La mise en œuvre d’un montage optique avec une barrette CCD afin d’interpréter le chronogramme de sortie du
capteur (1,5 séance). Voir la description complète dans le fichier Partie 2 chronogramme.doc.
 La mise en œuvre de la méthode des transits planétaires est l’occasion de manipuler des fichiers images, de traiter
les informations issues de fichiers au format BMP pour en extraire la puissance lumineuse relative reçue par le
capteur. Les élèves sont placés dans une démarche expérimentale qui leur permet de réinvestir une grande partie
des notions vues lors de l’étude de l’appareil photographique. Cette démarche fait l’objet de deux séances. Voir la
description complète dans le fichier détection transit.doc.
D. Partie 3
Cette partie n’est pas décrite dans le détail.
La lumière provenant de l’étoile est collectée dans le plan focal du télescope de 193 cm.
Une fibre optique est placée dans le plan focal pour guider la lumière vers le spectrographe.
1) Problématique
Comment guider la lumière jusqu’au spectrographe situé dans un local différent du télescope ?
2) Objectif
Connaître un dispositif de transfert d’information à grande distance.
NOTION ET CONTENUS
CAPACITES
Milieux et canaux de transmission : câbles, fibres, faisceaux
hertziens.
Expliquer le principe de propagation de la lumière dans
une fibre optique.
Mesurer l’ouverture numérique d’une fibre optique.
3) Déroulement de la séquence
Activité 1
 Illustrer expérimentalement le principe de propagation de la lumière dans une fibre optique par le principe de
réflexion totale.
Activité 2
 Existe-t-il un angle limite au-delà duquel le faisceau ne « traverse » pas le plexiglass ?
 Le milieu « extérieur » a-t-il une influence sur cet angle limite ?
 Mesurer l’ouverture numérique d’une fibre optique.
E. Partie 4
Les variations de position de l'étoile sous l'effet de la perturbation planétaire sont très faibles et trop difficiles à détecter à
l'heure actuelle. La méthode de la vitesse radiale cherche à mesurer les petits changements de vitesse plutôt que de
position de l'étoile.
Il faut identifier certaines raies du spectre de la lumière émise par l’étoile et observer les faibles changements de leur
longueur d'onde avec le temps pour en déduire la vitesse radiale. L’essentiel de l’activité est consacré à la détermination
des espèces chimiques présentes dans l’atmosphère d’une étoile par l’étude de son spectre lumineux.

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1) Objectifs :
 Analyser le spectre de la lumière émise par une étoile et identifier sa nature (continu et ou discontinu, émission et
ou absorption).
 Réaliser des spectres d’émission et d’absorption.
 Mesurer des longueurs d’ondes dans le domaine visible.
2) Déroulement de la séquence
Activité 1
 Comment déterminer les entités chimiques présentes dans l’atmosphère de l’étoile ?
 Interpréter un spectre de lumière émise par une étoile.
Activité 2
 Comment analyser la lumière ?
 Réaliser des spectres d’émission à l’aide d’un réseau et faire le lien avec le spectrographe de l’observatoire.
Activité 3
Cette activité est entièrement décrite dans le document Partie 3 spectrométrie.doc. Un document élève est joint
(Partie 3 fiche élève spectrométrie.doc). Cette activité dure une séance.
 Comment mesurer des longueurs d’ondes ?
 Utiliser une caméra CCD et réaliser un étalonnage en longueur d’onde à l’aide de lampes spectrales.
 Réaliser l’enregistrement de la courbe d’intensité spectrale du spectre de la lumière d’une source inconnue.
 Retrouver les éléments chimiques de la source.
Activité 4
 Comment détecter le mouvement apparent de l’étoile ?
 Réaliser un spectre d’absorption avec le gaz précédent et vérifier que les raies d’absorption coïncident avec les
raies d’émission.
 Utiliser un logiciel de simulation montrant le décalage des raies d’absorption par rapport aux raies d’émission des
sources étalon en fonction du mouvement apparent de l’étoile par rapport à la terre.
NOTIONS ET CONTENUS
CAPACITES
Spectroscopie : prisme et réseaux.
Spectres visibles.
Réaliser expérimentalement et décrire les spectres de différentes
sources lumineuses.
Distinguer spectres d’émission et spectres d’absorption, spectres
continus et spectres de raies.
Identifier, en utilisant une banque de données, un élément chimique à
partir de son spectre d’émission ou d’absorption.
Exploiter la courbe d'intensité spectrale d’un spectre lumineux.
Relier la longueur d'onde d'une radiation monochromatique à sa
fréquence.
Mesurer des longueurs d'onde du spectre visible.