bilan

Observer
1
C’ EST PARTICULIER (R EPONSES )
1. Atmosphère et rayonnements dans l’Univers
1.1. Analyser les documents
1.1.1. Quelles sont les sources d’informations, étudiées par les scientifiques, qui nous parviennent de l’Univers ?
Les ondes et les particules émises par le Soleil, les étoiles, la voie lactée …
1.1.2. Le rayonnement (ou ondes lumineuses) a-t-il besoin d’un support matériel pour se propager ? Argumenter.
Le rayonnement n’a pas besoin de support matériel pour se propager puisqu’il se propage dans le vide.
1.1.3. Que représente la grandeur portée en ordonnée sur le document 2 ? Préciser notamment la signification 0 % et 100 % pour les points
ayant cette ordonnée.
En ordonnée est représentée la proportion de rayonnement arrêté par l’atmosphère avant d’atteindre le sol
pour une longueur d’onde donnée.
-100 % correspond à un rayonnement n’atteignant pas le sol ; il est totalement absorbé par l’atmosphère
avant d’arriver au sol.
-0 % correspond à un rayonnement pour lequel l’atmosphère est parfaitement transparente ; il n’est pas
du tout absorbé par l’atmosphère
1.1.4. Quelle grandeur est représentée en abscisse ?
En abscisse sont portées les longueurs d’ondes dans le vide des différents rayonnements électromagnétiques.
1.1.5. Expliquer comment est construite l’échelle utilisée et ajouter ci-dessous, les valeurs manquantes devant chaque graduation.
On complète l’échelle en multipliant par 10 la valeur indiquée sous la graduation qui précède.
1.1.6. Nommer les domaines de rayonnements électromagnétiques, qui sont repérés par les lettres A, B, C et D. S’aider, si nécessaire, d’une
recherche sur internet.
A B C D
ultraviolet visible infrarouge domaine radio
1.1.7. Quel est le lien entre les illustrations (les instruments d’observation) et leur position sur la représentation graphique ?
Les illustrations indiquent les instruments adaptés aux différents domaines des ondes électromagnétiques.
(télescopes spatiaux, télescopes terrestres, radiotélescopes )
1.2. Conclure
1.2.1. Donner les domaines de longueurs d’onde (en m) des rayonnements électromagnétiques en provenance de l’Univers qui peuvent être
étudiés directement avec des instruments au sol. Préciser aussi le nom du domaine d’ondes. Expliquer. Nommer ces instruments.
Aide : identifier les rayonnements parvenant sur Terre
Sont observables depuis le sol, les rayonnements qui ne sont pas totalement absorbés au niveau du sol :
- le domaine visible pour une longueur d’onde entre 4,0×
××
×10
-7
m et 8,0×
××
×10
-7
m (soit 400 et 800 nm) avec un
télescope terrestre ;
- un large domaine radio pour une longueur d’onde entre 10
-3
m et 10 m (en ordres de grandeur),
observable à l’aide de radiotélescopes.
1.2.2. Quels domaines d’ondes sont difficilement observables depuis la surface de la Terre ? Quel instrument peut-on alors utiliser pour les
observer et où les place-t-on ?
Les ultra-violets et les ondes radio (de longueur d’ondes supérieure à 10 m) sont totalement absorbées par
l’atmosphère, on utilisera alors des télescopes spatiaux (tel que Hubble lancé en 1990 ou Herschel lancé en
2009, Gaia en 2013), placés au-dessus des couches absorbantes de l’atmosphère terrestre.
2. L’astronomie de l’invisible
2.1. Sur les photographies, la galaxie M 94 paraît moins étendue sur la photographie (a) que sur les (b) et (c).
Expliquer ceci en précisant :
-quel « objet » de l’espace arrête une grande partie du rayonnement dans le visible ?
Sur la photographie a, dans le domaine visible, le nuage de gaz et de poussière qui remplit la galaxie arrête
une grande partie du rayonnement.
-quels « objets » non observables dans le domaine visible, le deviennent dans le domaine infra-rouge ?
D’autre part, certaines étoiles émettent trop faiblement dans le visible et n’apparaissent pas. Sur la
photographie b, en rayonnement infrarouge, le nuage devient transparent et laisse apercevoir des étoiles
situées à l’arrière. De plus, le nuage lui-même émet un rayonnement infrarouge qui le rend visible sur la
photographie b.
10
-
10
10
-
8
10
-
7
10
-
5
10
-
4
10
-
2
10
-
1
10
1
10
2
-quels « objets » non observables dans le domaine visible, le deviennent dans le domaine ultra-violet ?
Sur la photographie c, ce sont des étoiles brillantes dans l’ultraviolet qui deviennent visibles alors qu’elles
n’apparaissaient pas sur la photographie a.
2.2. Quels objets émettent dans le domaine radio ?
Des particules chargées, animées de mouvements rapides (par exemple sous l’effet d’un trou noir) émettent
dans le domaine radio.
2.3. Justifier la nécessité d’exploiter les rayonnements électromagnétiques invisibles pour étudier l’Univers.
Le rayonnement visible ne constitue qu’une faible partie des rayonnements électromagnétiques émis dans
l’Univers. De nombreux objets de l’Univers n’émettent pas ou bien très faiblement dans le domaine visible.
Même si un objet est visible, les rayonnements non visibles peuvent fournir des informations
supplémentaires.
De plus, des milieux opaques à la lumière visible peuvent être transparents dans d’autres domaines.
2.4. Le rayonnement thermique est le rayonnement émis par un corps uniquement sous l’effet de sa température
Rappels de première : La loi de Wien relie la température T à la surface d’un corps à la longueur d’onde λ
max
de la radiation émise avec le
maximum d’intensité :
λ
max
=
T
3
10.898,2
−
avec : θ = T - 273 ou T = θ + 273
λ
max
en m T en K
En utilisant la loi de Wien, classer les différents corps (corps émettant dans l’UV, l’IR et le domaine radio) par ordre décroissant de la température à leur
surface. Justifier.
D’après le loi de Wien, plus la température à la surface du corps est élevée, plus la longueur d’onde du
maximum d’émission est faible .
Or : λ(U.V.) < λ(I.R.) < λ(radio)
donc T(objet émettant dans l’UV) > T(objets émettant dans l’IR )>T(objets émettant dans le domaine radio)
2.5. De quelle couleur apparaissent alors les étoiles les plus chaudes sur la photographie c ?
Les étoiles les plus chaudes apparaissent en bleu (λ proche de 400 nm)
2.6. À l’aide des documents, dresser un tableau présentant des sources riches en rayonnements ultraviolet, infrarouge et radio dans
l’Univers : étoiles « froides », étoiles chaudes, particules chargées animées d’un mouvement rapides et nuages interstellaires.
Rayonnement Ultra-violet Infra-rouge Radio (ou radioélectrique)
Exemples de sources dans
l’Univers Jeunes étoiles très
chaudes Etoiles "froides" Nuage de poussières Particules chargées en mouvement rapide
3. Activité documentaire. Les particules dans l’Univers
3.1. Analyser le document
3.1.1. À l’aide du document 6 et de vos connaissances de seconde et de première, expliquer les termes « rayonnement cosmique »,
« magnétosphère » et « réactions nucléaires ».
Rayonnement cosmique : particules de hautes énergies se déplaçant dans l’espace.
Magnétosphère : champ magnétique environnant la Terre (ou un autre objet céleste).
Réactions nucléaires : transformations affectant le noyau des atomes.
3.1.2. De quelles particules est constitué le rayonnement cosmique qui arrive sur Terre (y compris les particules secondaires) ?
Ce rayonnement peut être constitué de particules chargées de grande énergie, de protons, de noyaux
d’hélium, de neutrino mu, d’électrons, de positons gamma, de neutrons, de muons, de neutrino-e.
3.1.3. De quelles particules (vues en première) est constituée la lumière ?
La lumière est constituée de photons.
3.1.4. Quelle information du texte est illustrée par la figure 5 ?
La figure 5 illustre la formation d’une gerbe de particules.
3.1.5. Que se passe-t-il au point noté A ?
En A, une particule provenant de l’espace interagit avec un atome de l’atmosphère terrestre déclenchant
l’émission de plusieurs autres particules.
3.1.6. Où reproduit-on ces chocs sur Terre pour les étudier ?
Les accélérateurs de particules permettent de reproduire ces chocs tout en maitrisant les conditions des
expériences.
3.1.7. Document 7. Citer un autre détecteur de particules utilisé dans le domaine de la radioactivité vu en classe de première.
Le compteur Geiger
3.2. Conclure
3.2.1. Quelles informations scientifiques les chercheurs peuvent-ils attendre de l’étude des particules cosmiques ?
Les rayons cosmiques apportent des renseignements sur le fonctionnement interne du Soleil (particules
solaires) ou sur des évènements se produisant dans l’Univers lointain (particules galactiques et
extragalactiques).
On peut exploiter ces particules pour étudier leurs interactions avec la matière mais ce type d’étude se fait
actuellement presque exclusivement avec les accélérateurs de particules.
3.2.2. Même question pour les particules produites dans les accélérateurs.
Les résultats des chocs de particules de grandes énergies dans les accélérateurs permettent aux chercheurs
d’étudier la structure intime de la matière, c’est à dire son fonctionnement au niveau subatomique.