Description de la démarche pédagogique et conditions d - Eu-Hou
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Détection de planètes extrasolaires : méthode du transit Cet exercice a été initialement préparé par Roger Ferlet (IAP) et Olivier Marco avec trois étudiants de licence : Ester Aranzana Martinez, Sandra Greiss and Jeehae Chun (Université Pierre & Marie Curie). Il a été testé dans un lycée par Michel et Suzanne Faye, et amélioré par la suite par Stefano Bertone, Gilles Chagnon et Anne-Laure Melchior. Emmanuel Rollinde en a fait la traduction en français et a modifié la structure du texte en fonction des propositions pédagogiques du projet Discover The Cosmos. Objectifs pédagogiques Au cours de cet exercice, les étudiants vont : Discuter de systèmes planétaires Mettre en place une démarche d’investigation Apprendre à manipuler des images astronomiques Discuter de la photométrie Confirmer la détection d’une planète extrasolaire Description de la démarche pédagogique et conditions d’implémentation Ce scénario est conçu pour donner aux étudiants la possibilité de découvrir certains principes de la physique par eux-mêmes. Ils doivent collecter leurs propres mesures et déduire des conclusions à partir de ces mesures, des conseils de l’enseignant et des cours qu’ils ont reçus. Ils doivent également préparer un rapport qui souligne les résultats de leur travail et discuter avec les autres groupes d’élèves. De façon générale, les étudiants doivent être laissés le plus libre possible pour recueillir et interpréter leurs données. Presque aucune connaissance préalable de physique n’est nécessaire. Cependant, l’étude des lois de Kepler permettra de mieux comprendre les mouvements des planètes autour des étoiles. Une activité autour d’un Orerry peut être envisagée en amont de cet exercice. Ce projet a été financé avec le soutien de la Commission européenne. Ce document n’engage que son auteur et la Commission n’est pas responsable de l’usage qui pourrait être fait des informations qui y sont contenues. Activités d’apprentissage : • Phase 1: Séances préparatoires a) Si vos élèves ne connaissent pas bien notre système solaire, prévoyez une séance préparatoire pour introduire les différentes planètes, et les mouvements des planètes autour du Soleil. La méthode de détection par transit ne nécessite que la compréhension de la rotation des planètes autour d’une étoile. Une seconde méthode de détection, par vitesse radiale, nécessite plus de connaissance, en particulier sur l’effet Doppler. b) Vous pouvez démarrer la séance en discutant de la définition et des différents type de planètes orbitant autour du Soleil (tellurique, géante, gazeuse), puis de la position de notre Système Solaire dans notre galaxie, la Voie Lactée. Vous pouvez ensuite faire une recherche et discussion sur les méthodes de détection des planètes et des satellites des planètes dans notre Galaxie (un mouvement particulier dans le ciel, une scintillation différente, perturbation dans les mouvements des autres planètes dans le cas unique de Neptune), sur les méthodes de calcul de distance (ce qui peut faire un exercice à part : éclipse de Lune, parallaxe, transit de Venus). Les points suivants peuvent n’être abordés qu’après avoir laissé les étudiants discuter de leur démarche pour l’observation d’une planète extrasolaire (Phase 2 ci-dessous). c) Vous pouvez ensuite présenter le télescope Spitzer, en montrant des images et des vidéos disponibles sur le site web de la mission Spitzer. Vous pouvez dire aux étudiants qu’ils vont utiliser des images prises depuis ce télescope pour leur projet. Ils doivent prendre conscience qu’ils vont utiliser des images que des astronomes professionnels utilisent dans leur travail, soit dans notre cas, la détection de planètes extrasolaires. Vous pouvez discuter des différences entre une observation dans le visible et une observation dans l’infra-rouge. d) Ces activités permettent d’introduire la recherche de planètes extrasolaires, et la méthode de détection par transit. Une planète extrasolaire, ou exoplanète, est une planète située en dehors du Système Solaire et orbitant autour d’une étoile. Jusqu’au 22 mars 2012, les astronomes ont détectés1 763 exoplanètes. La plupart d’entre elles sont observées par l’intermédiaire de mesure de vitesses radiales ou d’autres méthodes indirectes. Une image directe de ces planètes ne peut pas être obtenue en raison de la sensibilité et de la résolution limitée des instruments actuels, et du faible rayon de l’orbite de ces planètes géantes. Nous vous proposons ici de révéler la présence d’une planète à l’aide d’une autre méthode à partir du transit d’une planète devant son étoile (Spitzer permet également l’étude d’un transit derrière l’étoile qui diminue le rayonnement infrarouge). 1 Consulez le site http://exoplanet.eu/ pour connaitre le nombre actuel de planètes extrasolaires détectées. Méthode du transit Cette méthode est basée sur la variation de la luminosité de l’étoile lorsque la planète passe devant elle. Nous verrons que le rayon de la planète peut également être déterminé avec cette méthode, ce qui aide pour la classification des planètes détectées. Courbe de lumière correspondant au transit d’une exoplanète observé par le télescope Corot (Mai 2007) Phase 2: Démarche d’investigation Propositions d’explications préliminaires ou hypothèses. Les étudiants doivent comprendre qu’une planète doit être recherchée autour d’une étoile, et qu’elle ne peut pas être observée directement en raison de sa taille et du fait qu’elle n’émet pas ou peu (voir le cas de l’infrarouge) de lumière. On peut discuter avec eux de la taille typique d’une planète par rapport à la taille de son étoile pour prévoir la variation de luminosité attendue. Ceci permet de se rendre compte de la difficulté mais également de prévoir une méthode pour déterminer le rayon de la planète connaissance le rayon de l’étoile… Prévoir une démarche d’investigation Les étudiants doivent aboutir aux idées suivantes : - Preuve d’un transit : o Observer à plusieurs époques l’étoile autour de laquelle orbite une planète o Comparer la variation de luminosité de cette étoile à la variation d’étoiles o Etudier l’écart par rapport à la moyenne pour se convaincre de la présence d’un transit - Analyse du transit : o Profondeur du transit : rapport des rayons o Début et fin : rayon de la planète (ceci sera probablement discuté après avoir analysé les observations !) Phase 3 : Création et relevé des observations Les données utilisées pour ces exercices sont une série de 20 images de l’étoile HD 189733 obtenues par le télescope spatial Spitzer. Nous allons effectuer des mesures sur ces images à l’aide du logiciel SalsaJ et faire l’analyse sur un tableur. Chaque participant choisit une étoile brillante sur la première image. Il fera ensuite l’analyse de la luminosité de cette étoile sur chaque image, et devra conclure sur la présence de variation du flux au cours du temps, signe d’un transit d’une planète. 1. Démarrer SalsaJ. 2. Les 20 images prises avec le satellite de la NASA Spitzer et permettant d’étudier le transit d’une exoplanète ont un nom de fichier commençant par HD 189733b*. Vous pouvez toutes les ouvrir en utilisant la macro Pluging/macro/Extrasolar Planet transit. Star 1 Star 3 Star 2 3. Choisissez une des étoiles brillantes dans le champ. 4. Cliquez sur l’icône de photométrie (si il n’est pas present, vous pouvez changer de barre d’outil avec l’icône ou aller dans Analyse/Photométrie) : une fenêtre de photométrie apparait et votre pointeur correspond alors à un détecteur de luminosité. Vous pouvez alors cliquer sur une étoile pour mesurer son intensité (dans des unités arbitraires) sur les 20 images. Vous pouvez fixer la position de la mesure et le rayon de la région utilisée pour intégrer le flux dans les paramètres de photométrie). 5. Créer un nouveau tableur et copier les mesures obtenues. L’heure d’observation peut être obtenue dans Image/Information si vous voulez spécifier l’axe horizontal. Tracez l’évolution de la luminosité de votre étoile. 6. Que se passe-r-il si vous utilisez un rayon plus grand pour faire la mesure photométrique ? Que faudrait-il faire pour pouvoir comparer vos résultats à ceux obtenus pour une autre étoile, ou pour un autre rayon ? Que pouvez-vous rajouter à votre graphe pour pouvoir discuter de la variation du flux ? 7. Si vous avez le temps, refaites les mesures pour une autre étoile, ou comparez vos résultats à ceux obtenus par d’autres groupes travaillant sur la même étoile. Phase 4 : Discussion et interprétation Discutez pour déterminer quelle étoile montre une variation de son flux, et donc la présence d’un transit d’une planète extrasolaire. Justifiez votre raisonnement. Par la suite, tout le monde travaillera sur le graphe obtenu avec cette étoile, et donc sur un transit détecté. L’enseignant peut projeter le meilleur graphe au tableau, ou transférer les données de cette étoile à tous les groupes. A l’aide d’un schéma, discutez des différents moments important d’un transit : (1) La ligne de visée vers la planète passe par le bord de l’étoile mais la planète n’occulte pas encore l’étoile. (2) L’ombre de la planète est entièrement contenue dans l’étoile, et elle avance vers le centre. (3) L’ombre de la planète est entièrement contenue dans l’étoile, et elle s’éloigne du centre. (4) La planète n’occulte plus l’étoile, mais la ligne de vise vers la planète passe par le bord de l’étoile. Identifiez ces différents instants sur la courbe de lumière obtenue. Discutez des points suivants : - Êtes-vous capable de déterminer le rayon de la planète à partir de cette observation seulement ? Si non, quelle information supplémentaire serait nécessaire pour faire cette mesure ? Quelle information permettrait de déterminer le diamètre de l’étoile ? On trouverait alors un diamètre (en unité de rayon solaire) de 0.788±0.051 Rsun. - Que pouvez-vous en conclure sur la nature de l’objet transitant devant l’étoile ? - Que pouvez-vous dire sur les positions relatives de la Terre, de l’étoile HD 189733 et de l’objet en transit ? L’exoplanète en orbite autour de HD 189733 a été découverte le 5 Octobre 200 par la méthode du transit en France. Le graphe ci-dessous montre les données obtenues lors d’un suivi de l’étoile sur Terre en 2010. Comparez vos données à ce graphe. La planète est classée comme une planète chaude de type Jupiter, en orbite proche autour de son étoile avec une période de 2,2 jours. Elle est située à environ 63 années-lumière de nous dans la constellation du renard (à l’intérieur de la constellation du Cygne). Les caractéristiques physiques de cette planète sont les suivantes : mass: 1.13 MJ radius: 1.138 RJ Surface gravity: 21.2 m/s² Temperature: 1117K Comparez vos résultats avec ces valeurs (également disponible sur Extrasolar Planets Encyclopedia2 Phase 5 : réflexion L’enseignant fait un résumé de ce qui a été discuté durant la séance de mesure. Les questions suivantes peuvent être posées : a) Avez-vous eu des difficultés particulières pour classifier les événements ? Comment les avezvous surmontées ? b) En quoi votre analyse est-elle différente de celle des astronomes ? Chaque classe/groupe d’étudiants produit un rapport expliquant et justifiant la procédure utilisée, et les résultats. 2 http://exoplanet.eu/
