Description de l`Univers (seconde)

Activités pédagogiques Lycée
Description de l'Univers
Niveau
Seconde
Objectif
Utiliser le logiciel Aladin créé par l'Observatoire de Strasbourg pour observer et étudier
différents objets astronomiques afin de mieux comprendre la structure de l'Univers à
différentes échelles.
Compétences
Utiliser les puissances de 10 dans l’évaluation des ordres de grandeur, dans les calculs, et
dans l’expression des données et des résultats.
Repérer un angle.
Exprimer le résultat avec une unité adaptée.
Connaître la valeur de la vitesse de la lumière dans le vide et savoir qu’il s’agit d’une
vitesse limite.
Connaître la définition de l'année de lumière et son intérêt.
Connaître les ordres de grandeur des dimensions des différentes structures des édifices
organisés.
Pré requis
Savoir comment se propage la lumière dans le vide. Connaître la relation entre la vitesse,
la distance et le temps. Connaître les bases de la trigonométrie au collège.
Durée
Lecture du texte « de la Terre aux galaxies lointaines » à la maison en travail préparatoire.
Utilisation du logiciel Aladin en séance de travaux pratiques : 1h20
Déroulement
L’objectif est de montrer aux élèves qu'il est possible d'observer facilement l'Univers à
grande échelle, c'est à dire à l'échelle astronomique. Nous utiliserons l'interface Aladin,
créée par le Centre de Données de Strasbourg, pour afficher et analyser des images de
divers objets astronomiques, des étoiles proches aux galaxies lointaines. Le but étant
d'avoir un ordre de grandeur des différentes structures de l'Univers à grande échelle.

Activités pédagogiques Lycée
De la Terre aux galaxies lointaines
Depuis l'invention de la lunette astronomique, notre
vision de l'Univers a énormément évolué. Grâce aux
différentes observations avec les lunettes astronomiques
puis les télescopes, nous avons observé que notre
environnement proche, le système solaire, n'était qu'une
partie infime de l'Univers tel que nous le connaissons
aujourd'hui.
Dans notre système solaire dont la taille est
d’environ une année de lumière, et au-delà, on trouve du
gaz atomique, ionisé et moléculaire, de la poussière qui
forment ce que l’on appelle le milieu interstellaire. C’est
dans ce milieu que se forment les étoiles. Vu de la Terre, le milieu interstellaire nous
apparaît, lorsque des étoiles vont le chauffer et ioniser le gaz atomique, constitué
essentiellement d’Hydrogène, donnant ainsi naissance à un rayonnement observable
dans le rouge.
Les régions riches en poussières vont nous apparaître sombres, leur opacité
va empêcher le rayonnement des étoiles situées derrière de nous parvenir. Certains
de ces nuages auront des formes bien connues
des astronomes, comme la tête de cheval dans
la constellation d’Orion ou encore le sac à
charbon dans la constellation de la Croix du
Sud. Ces gaz, poussières et étoiles font partie
d’une grande structure, appelée galaxie.
Notre galaxie, la Voie Lactée, comporte
plus de cent milliards d’étoiles. Pour mesurer les
distances à l’échelle galactique il a fallu trouver
une unité de mesure adaptée, l’année de
lumière. C’est la distance que parcourt la
lumière pendant une année. La lumière a une vitesse finie, qui, dans le vide, vaut
environ 300 000 km.s-1.
Comme la lumière des étoiles met beaucoup de temps à nous parvenir, ce
que nous voyons à l’heure actuelle correspond en réalité à un passé lointain. Plus
nous observons des objets lointains, plus nous les voyons loin dans le passé. Il est
donc probable que beaucoup d’étoiles que nous voyons le soir en levant les yeux au
ciel n’existent plus. Et réciproquement, certaines étoiles qui sont nées ne nous
apparaissent pas encore, car leurs lumières ne nous sont pas encore parvenues.
Notre galaxie est loin d’être seule, puisqu’il y a plus de cent milliards de galaxies
dans l’Univers, la plupart d’entre elles étant regroupées en amas.

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Dimension de quelques objets astronomiques
Nous allons utiliser le logiciel Aladin pour étudier quelques objets célestes connus
qui vont nous permettre de comprendre un peu mieux la structure de l’Univers.
La tête de Cheval dans la
constellation d’Orion
La nébuleuse planétaire de
la Lyre M57
Les amas stellaires M35 et NGC
2158 dans la constellation des
Gémeaux
La galaxie spirale M51
Dans Aladin, nous allons charger une première image astronomique en
utilisant les données du Digitized Sky Survey (DSS). Dans la fenêtre « position », on
commence par choisir la position (ou l’objet). Pour cela il suffit de rentrer la
dénomination de l’objet, par exemple M57 pour la nébuleuse de la Lyre.
Vous pouvez ensuite zoomer ou dézoomer avec la souris pour adapter la taille de
l’objet astronomique observé.
Pour chaque objet observé, nous allons utiliser l’outil graphique d’Aladin nous
permettant de mesurer la taille angulaire de celui-ci. Le but est de mesurer cette
taille, puis, connaissant la distance de l’objet, on peut en déduire sa dimension
spatiale.
Pour calculer la dimension, en année de lumière, de l’objet astronomique observé,
nous allons faire l’approximation suivante :
D =   d
Où :
D est la taille de l’objet en année de lumière,
est la taille angulaire de l’objet, donnée en minute d’arc avec Aladin qu’il
faut convertir en radian.
d est la distance de l’objet en année de lumière.
Cette approximation est valable car les angles que nous obtenons sont petits, bien
inférieur à 1°.
Pour les quatre objets présentés précédemment, vous devez afficher l’image dans
Aladin, mesurer la taille angulaire puis calculer la dimension spatiale de l’objet.

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Astre
Nébuleuse de la
Lyre
Amas stellaire
Nuage de la tête de
cheval
Galaxie spirale
Nom
M57
M35
Barnard 33
M51
Distance (a.l.)
2,0  103
2,8  103
1,5  103
3,1  107
Taille angulaire (arcmin)
Dimension (a.l.)
Les différentes échelles
Nous allons désormais comparer les tailles des objets précédents à celles de la Terre
et du Soleil pour définir les différentes échelles de l’Univers astronomique.
Dans un premier temps, sachant que la vitesse de la lumière est d’environ 300 000
km.s-1, donner l’année de lumière en kilomètres.
Puis en déduire les tailles (en km) des objets étudiés précédemment en utilisant la
notation scientifique :
Astre
Terre
Soleil
Nébuleuse de
la Lyre M57
Amas stellaire
M35
Nuage de la
tête de cheval
Barnard 33
Galaxie
spirale M51
Taille ( km)
1,28  104
1,4  106
Placer sur un axe, judicieusement gradué, ces différents objets étudiés.