Lumière et Astrophysique

TP n° 11
TP
Physique
Lumière et Astrophysique
I)
II)
Objectifs
Extraire d’un document des informations scientifiques
Utiliser Internet pour rechercher des informations biographique et scientifiques
Déterminer des longueurs d’onde de certaines raies d’absorption présentes dans le spectre du Soleil
Retrouver les éléments chimiques responsables de ces raies d’absorption dans la chromosphère du soleil.
Utilisation d’un texte scientifique.
1) texte écrit par L.Goughenheim et intitulé ‘’la lumière transporte le message des astres’’.
Pendant de nombreuses années, l’astronome était celui qui étudiait le mouvement des astres. En 1840, Bessel pouvait
dire que l’unique tâche de l’astronomie consiste à ‘’trouver les règles du mouvement de chaque astre et en déduire sa
position à chaque instant’’. Le reste lui paraissait ‘’non pas à proprement parler indigne d’attention, mais sans aucun
rapport avec l’intérêt astronomique proprement dit’’.
C’est que la situation de l’astronome est difficile. Il peut rarement expérimenter sur les objets de son étude ; le plus
souvent, il doit se contenter de les observer. Planètes, étoiles, galaxies sont situées à de telles distances de la Terre ,
qu’il est difficilement imaginable de les explorer in situ, malgré les exceptions heureuses que constituent les
météorites et les rayons cosmiques qui s’écrasent sur le sol de la Terre, ou les explorations récentes et spectaculaires
de la Lune et de Mars.
Vers le milieu du 19 ème siècle, le grand philosophe Auguste Comte fit une prédiction malheureuse. Nous ne pourrons
jamais savoir, disait-il en substance, de quoi est fait le Soleil, car sa température est trop élevée pour que nous
réussissions jamais à nous en approcher. Quelques années plus tard, en 1859, Kirchhoff et Bunsen, en identifiant
certaines raies spectrales obtenues en laboratoire, ouvraient à l’astronomie une ère nouvelle. L’astrophysique était
née, dont le but est de comprendre la nature physique des astres, leur formation et leur évolution. La quasi-totalité de
l’information que nous possédons sur les conditions physiques qui règnent dans les astres est véhiculée par le
rayonnement. C’est l’analyse de ce rayonnement, et en particulier son analyse spectrale, qui joue le rôle d’agent de
décodage.
Nous connaissons trois types de spectres : les spectres continus, les spectres de raies d’émission et les spectres de
raies d’absorption. Les lois qui décrivent les conditions de formation de ces différents spectres portent le nom du
physicien allemand G.Kirchhoff qui les publia en 1859 en collaboration avec R.Bunsen.
Elles s’expriment de la manière suivante ;
LOIS DE KIRCHHOFF
1.
Un gaz à pression élevée, un liquide ou un solide, s’ils sont chauffés, émettent un rayonnement, dit
thermique, dont le spectre est continu et contient toutes les longueurs d’onde (ou ‘’couleurs’’).
2.
Un gaz chaud, à basse pression, émet un rayonnement uniquement pour certaines longueurs d’onde
(ou ‘’couleurs’’) bien spécifiques. Le spectre de ce gaz présente alors des raies d’émission.
3.
Un gaz froid, à basse pression, s’il est situé entre l’observateur et une source de rayonnement continu,
absorbe certaines longueurs d’onde (ou ‘’couleurs’’), produisant ainsi des raies (ou bandes) sombres dans le
spectres continu. Ces longueurs d’onde sont celles qu’il émettrait s’il était chaud.
2) Questions
a) Etablir une chronologie de l’évolution de l’astronomie au cours du XIX eme siècle.
b) Pourquoi l’astronome a-t-il une situation peu confortable semble-t-il dans son travail.
c) Faire une présentation en 2 lignes des personnes citées dans ce texte.
d) Pourquoi Auguste Comte a-t-il commis une erreur dans ses déclarations.
e) Comment connaît-on les informations relatives à une étoile.
III)
Lumière et Température : 1ere Loi de Kirchoff
1) Introduction
Le danois Ejnar HERTZSPRUNG (1873 – 1967) eut l'idée, en 1905, de classer les étoiles d'un même type
spectral en plusieurs classes de luminosité, il jeta les bases du diagramme HR, devenu un outil fondamental de
l'astrophysique stellaire. Hertzsprung constate que les étoiles ne se répartissent pas au hasard, comme on aurait
pu s'y attendre. La majorité d'entre elles se groupent le long d'une diagonale, parmi elles le Soleil.
Dans la partie supérieure droite on trouve des étoiles comme Antarès ou Bételgeuse, étoiles très lumineuses mais de
température de surface faible : les géantes rouges.
2) Diagramme HR (ci-contre)
3) Questions
a) Qui est associé à ce diagramme sous l’initiale R :
b) Le présentez en 2 lignes
c) Quelle est la grandeur physique responsable de la couleur de l’étoile
d) Comment sont classées les étoiles.
e) Quel est le rôle de ce diagramme.
f) A quelle classe appartiennent les étoiles suivantes :
-Rigel
- Soleil
- Arcturus
-Proxima du centaure
-Sirius A
-Bételgeuse
-Sirius B
g) Définir les termes suivants et associer une étoile.
- Géante rouge
-Supergéante rouge
- Naine Blanche
- Etoile à neutron
IV)
Lumière et Chimie : 3eme loi de Kirchhoff
1) Exploitation du document : Spectre de l’argon
Mesurer les distances L en mm entre la raie d’émission de 390nm et les autres raies d’émission.
Longueur d’onde  en nm
Distance L en mm
390
0
2) Tracer, sur papier millimétré, le graphique donnant  en fonction de L pour les raies d'émission de l'argon.
- On pourra utiliser un tableur (Excel par exemple) pour tracer cette courbe d'étalonnage ou sa calculette our visualiser
la courbe et déterminer son équation.
3) . Exploitation du document : Spectre du soleil obtenu par Mr Fraunhofer
a) Que représentent les raies noires dans le spectre du Soleil de Fraunhofer?
b) En déduire, à l'aide de la courbe d'étalonnage, les longueurs d'onde des raies d'absorption du spectre du Soleil.
Raie n°
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
L en mm
 en nm
4) Comment est constitué le soleil ? En déduire la partie du soleil qui émet de la lumière ?
5) Montrer, par un schéma simple, la raison pour laquelle on n'obtient que le spectre d'absorption de la chromosphère,
enveloppe de gaz entourant le Soleil.
6)
À partir des données figurant dans le tableau ci-après, associer à chaque raie d'absorption l'entité chimique (ion
ou atome) présente dans la chromosphère du Soleil.
Longueurs d'onde  (en nm) de certaines raies caractéristiques de quelques espèces chimiques.
H
Na
Mg
Ca
Ca2+
Fe
Ti
Mn
Ni
656.3
589.0
470.3
422.7
396.8
438.3
466.8
403.6
508.0
486.1
589.6
516.7
458.2
434
526.2
527
489.1
469.1
491.9
498.2
495.7
7) Quel est l’intérêt des travaux de Fraunhofer et de Kirchhoff
523.8
537.1
539.7