Cours

1/ 4 Partie I – Chap. 1 : Ondes et particules
PARTIE I : OBSERVER
• Extraire et exploiter des informations sur l’absorption de rayonnements par l’atmosphère terrestre et ses conséquences sur
l’observation des sources de rayonnements dans l’Univers.
• Connaître des sources de rayonnement radio, infrarouge et ultraviolet.
• Extraire et exploiter des informations sur : - des sources d’ondes et de particules et leurs utilisations ;
- un dispositif de détection.
• Pratiquer une démarche expérimentale mettant en oeuvre un capteur ou un dispositif de détection.
Chapitre 1
Ondes et particules, supports d’informations
I. Sonder l’Univers
Voici la représentation d'une onde électromagnétique. On y reconnaît le
champ électrique perpendiculaire au champ magnétique. C'est
l'ensemble et le couplage de ces deux champs qui forment l'onde
électromagnétique.
Les ondes électromagnétiques (EM) qui nous parviennent sur Terre
nous permettent de mieux comprendre notre place dans l’Univers.
Il existe différents domaines d’ondes EM suivant la fréquence de celles-ci :
• Dans le vide, toutes les ondes EM se déplacent à la vitesse c = 3,00 ⋅⋅⋅ 10
8
m ⋅⋅⋅ s
–1
(300 000 km/s)
• Les ondes EM visibles pour l’humain ont une longueur d’onde comprise entre 400 et 800 nm dans le vide.
• La fréquence υυυ (nu) et la longueur d’onde λλλ (lambda) d’une onde EM sont liées par la relation : λλλ ⋅⋅⋅ υυυ = c
Questions :
a) A l’aide de la formule liant la fréquence à la longueur d’onde, retrouver la formule du document 1.
b) Déterminer les fréquences extrémales du domaine du visible.
c) Sachant que l’énergie transportées par une onde EM est donnée par la formule E = h υ (avec h une
constante), quel domaine contient les rayons les plus d’énergétique ?
Depuis la Terre, nous captons divers rayonnements électromagnétiques ainsi qu’un rayonnement
cosmique.
Ce rayonnement cosmique est un flux de particules (protons, noyaux d’hélium, électrons, positrons, …) qui
circulent à grande vitesse dans le vide interstellaire. Ces particules, de sources solaires, galactiques ou ex-
tragalactiques peuvent pénétrer l’atmosphère de la Terre et nous traverser, interférer avec l'ADN, traverser la
roche et les bâtiments et profondément pénétrer les sol et sous-sol de la planète.
Figure 1 : l’onde EM
Longueur
d’onde λλλ (m)
Ondes Radio
Fréquence υυυ (Hz)
Figure 2 : Domaines

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L’Astronomie moderne s’intéresse aux rayonnements électromagnétiques de tous les domaines existants :
Figure 3 : Ces deux clichés de la nébuleuse Carina ont été pris dans le domaine du visible (en haut) et
dans le domaine de l'infrarouge (en bas). On observe bien l'importance d'utiliser différents outils pour
comprendre notre Univers. Les deux photos sont sensiblement différentes et apportent de précieuses
informations aux scientifiques
Ainsi il existe différents types de télescopes spatiaux en fonction du domaine d’onde EM étudié :
SWIFT
Etude
des
Sursauts
G
amma
CHANDRA
Etude des
Naines
blanches et
des Etoiles
à Neutrons
HUBBLE
Domaine
du visible.
Champ
Profond.
HERSCHEL
Etude de la
naissance des
étoiles et de
l’évolution
des galaxies
COBE
Etude du
Fond
Diffus
Cosmo-
logique
Radiotélescopes
Généralement placés sur Terre
Figure 4 : Domaines d’étude de télescopes spatiaux
Tous les objets célestes émettent des rayonnements dans divers domaines :
Fond Diffus Cosmologique
Gaz froid, poussières
Etoile froide
Etoile chaude
Pulsar, Naine Blanche
Disque d’accrétion
Quasar
Rayon
γ Rayon X Rayon UV Visible Rayon IR Micro Ondes Ondes Radio

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II. Sonder notre atmosphère
La Terre reçoit de toutes les directions
de l’espace des rayonnements et des
particules (rayonnement cosmique). Si
ce flot ininterrompu n’était pas en grande
partie arrêté par l’atmosphère, ses effets
interdiraient toute vie sur Terre.
Notre atmosphère, du fait de sa
composition chimique, est plus ou moins
opaque aux rayons électromagnétiques
en fonction de leur longueur d’onde.
(figure 5)
Chaque gaz présent absorbe (et donc
arrête) certaines longueurs d’onde
donnant ainsi à notre atmosphère le
spectre d’absorption ci-dessous (figure 6)
Questions
a) Quelle grandeur est représentée en abscisse ?
b) En Astronomie, quels sont les domaines difficilement observables depuis la surface de la Terre ?
c) Quelles sont les longueurs d’onde observées par un radiotélescope ?
d) Pourquoi certaines observations ont-elles été améliorées par l’utilisation de télescopes spatiaux ?
e) Pourquoi les radiotélescopes sont-ils généralement placés à la surface de la Terre ?
Figure 5
Pénétration des
ondes EM dans
l’atmosphère
suivant leur
longueur d’onde.
Figure 6 : Absorption des ondes EM par l’atmosphère de la Terre
RAYON X U.V. Vis I.R. MICRO-ONDES ONDES RADIO

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III. Sonder la Terre
Les séismes, sources de tragédies, permettent aussi d’explorer l’intérieur du globe terrestre.
Date Heure Lieu Latitude Longitude Profondeur Magnitude
13/01/2010 05 :02 :53 Haïti 18.39° -72.95° 10 km 5.6
Onde P (Primaire) : Onde de compression
Onde S (Secondaire) : Onde de cisaillement
Questions :
a) Quelles grandeurs sont portées en abscisse et en ordonnée sur les axes de l’enregistrement ?
b) D’après ces documents, l’énergie libérée reste-t-elle localisée au voisinage du foyer ?
c) Laquelle des deux ondes S ou P est la plus rapide ?
d) Par analogie avec la propagation de la lumière, décrire les phénomènes subis par les ondes
sismiques au cours de leur propagation.
e) Quelle distance de la structure du globe peut-on mesurer en exploitant le signal PcP ?
f) Quelle caractéristique de l’onde P faut-il au préalable connaître ?
Figure 8 : Ondes captées par une station lors d’un séisme
P
Foyer
P
PcP
PP
PKiKP
PK
Noyau
interne
Noyau
externe
Manteau
Croute
continentale
Figure 7
Propagation
d’ondes
sismiques