Petits corps système solaire - Olympiades de Physique France

Olympiades de Physique 2008
Comment étudier les
Petits Corps du Système
Solaire en restant sur
Terre ?
Jeannerod Florian / Tissot Sylvain
A c a d é m i e d e B e s a n ç o n
P o n t a r l i e r / L y c é e X a v i e r M a r m i e r
1
Résumé
Les Petits Corps du Système Solaire : une appellation bien vague pour la plupart des gens.
Mais il s’agit tout simplement de tout ce qui compose notre Système Solaire si l’on met de coté le
Soleil lui-même et les planètes. Il reste une myriade de corps allant de plusieurs milliers de
kilomètres de diamètre jusqu’à des particules invisibles à l’œil nu, les micrométéorites. L’étude de
ces corps est primordiale si l’on veut percer les mystères de nos origines, car les scientifiques ont
retrouvé à l’intérieur de nombreux acides aminés, les composants de base de l’ADN, donc de la vie !
Mais si ces corps auraient pu donner la vie, ils peuvent aussi la reprendre : par exemple on retrouve
dans le sol une couche géologique fine, composée d’organismes carbonisés et d’éléments
caractéristiques de débris extraterrestre, et la datation de cette couche correspond à la période
d’extinction des dinosaures… si une telle catastrophe se reproduisait, l’humanité n’y survivrait pas.
Ainsi l’étude de la trajectoire des plus gros Petits Corps doit être réalisée si l’on veut déceler
d’éventuelles menaces pour notre planète.
L’an passé, nous nous étions déjà intéressés aux micrométéorites lors des Travaux Personnels
Encadrés. Cela nous avait donné l’occasion d’approcher ce domaine, et cette année pour les
Olympiades de Physique, nous nous sommes vraiment investis dans le projet en lui donnant plus de
rigueur et en l’élargissant à l’étude des astéroïdes.
Ainsi dans un premier temps nous avons essayé de récolter des micrométéorites, car il en tombe des
milliers de tonnes par an sur Terre :
• Les micrométéorites tombant dans notre atmosphère et étant entrainées au sol par la pluie,
nous avons observé sans résultat le fond d’un récupérateur d’eau de pluie.
• Ensuite nous avons réalisé un tri magnétique de l’eau de pluie ruisselant d’une bâche nylon
tendue à l’extérieur, mais là encore, aucune poussière cosmique
• La troisième expérience fut la bonne, en appliquant ce tri magnétique à l’eau collectée sur
une plus grande surface comme un toit, et là de nombreuses sphérules (forme caractéristique
des micrométéorites) étaient présentes.
• Une autre méthode consistait à balayer de la neige dans un champ avec un ‘traineau
magnétique’ récupérant toutes les particules ferreuses à la surface, mais rien ne fut trouver.
• Pour finir, la fonte de ce manteau neigeux a enfin révélé les sphérules recherchées.
Une fois triées et réparties en catégories, la comparaison de nos sphérules avec celles trouvées en
Antarctique par les scientifiques montre une ressemblance flagrante, mais une fois notre flux de
micrométéorites calculé, il était supérieur d’un facteur 109 à celui calculé par les scientifiques, rien
qu’en prenant en compte les sphérules que nous avons classé dans la catégorie « ferreuses », signe
que nos sphérules ne pouvaient êtres toutes des micrométéorites. Nous les avons donc fait analyser,
et en effet nombre de nos sphérules étaient de la pollution. Quant à celles restantes, rien ne nous
permet de dire si elles sont extraterrestres ou terrestres d’après l’analyse de surface. Il aurait fallu
réaliser des coupes transversales, mais cela était trop onéreux.
Le deuxième point sur lequel nous avons travaillé a été la photométrie d’astéroïde, c'est-à-dire
la détermination de la période de rotation de ces corps grâce à leur luminosité. Nous avons créé un
modèle mathématique pour observer la courbe de lumière que nous aurions obtenu avec un astéroïde
ellipsoïdal parfait. Et en le confrontant avec une simulation faite avec des pommes de terre, nous
avons constaté que les deux expériences coïncidaient : cela nous a permis de nous lancer dans
l’observation au télescope de l’astéroïde 349 Dembowska, dont nous avons retrouvé la courbe de
lumière correspondant à une ellipsoïde, et la période trouvée correspond bien à la rotation officielle.
Nous espérons que notre sujet vous intéressera tout comme il nous a passionnés.
Bon voyage !
2
Plan
Résumé………………………………………………….p2
Introduction…………………………………………………………p 4
I°) Que sont ces petits corps ?..........................................p 4
-1 Récapitulatif de la formation du Système
Solaire…………………………………………….p 4
-2 Répartition de quelques Petits Corps......................p 5
II°) Une méthode d’étude, les micrométéorites………....p 6
-1 Récoltes de micrométéorites……………………...p 6
-2 Observation et exploitation des échantillons……..p 9
-3 Comparaison avec d’autres échantillons…………p12
III°) Photométrie d’astéroïde …………………………..p21
-1 Simulation mathématique d’astéroïde…………....p20
-2 Une analogie avec une pomme de terre………….p22
-3 Photométrie réalisée sur l’astéroïde 349
Dembowska………………………………………p24
Conclusion……………………………………………...p27
Annexe………………………………………………….p28
Bibliographie…………………………………………...p31
3
Depuis notre Terre, le restant du système solaire nous paraît lointain et étranger, et nous avons
les plus grandes difficultés à l’explorer, tant sur le plan financier que technique.
Alors comment pourrions-nous faire pour étudier les Petits Corps du Système Solaire tout en
restant sur Terre, et ceci à notre niveau ?
Dans un premier temps nous allons définir ces corps et les situer dans le Système Solaire de
manière à avoir une base de connaissance. Puis nous verrons différentes tentatives pour essayer de
récolter des débris de ces astres sur Terre sous la forme de micrométéorites. Et enfin, comme des
échantillons ne suffisent pas à rendre compte d’un corps dans sa globalité, nous passerons du
microscopique au macroscopique avec l’observation d’un astéroïde et les problèmes que cela
engendre, dans le but d’en déterminer la rotation.
I°) Que sont ces petits corps ?
-1 Récapitulatif de la formation du Système Solaire
Il y a 4,6 milliards d’années, un nuage
de gaz interstellaire s’effondra sur lui-même,
et à cause de sa propre gravité, il se condensa
en ‘grumeaux’ comme ceux visibles sur
l’image (1). Et ces grumeaux ont fini par
donner naissance à des étoiles, dont notre
Soleil.
Ensuite les poussières restantes se stabilisent
autour du Soleil sous la forme d’un disque
‘protoplanétaire’ de plus en plus fin, voir
l’image (2).
A cause de la chaleur de notre étoile, le gaz ne
peut subsister à sa proximité, il va donc
migrer vers l’extérieur du Système, tout
comme les glaces qui se subliment, laissant
majoritairement des roches dans la partie
interne, représentées en brun sur le schéma
(3).
Puis à cause de leur gravité, roches, glaces, et gaz s’agglomèrent pour donner des embryons de
planètes, les ‘planétésimaux’ qui étaient au nombre d’une centaine. Mais perturbations
gravitationnelles, excentricité, et vitesses relatives généralement dissemblables font que ces
planétésimaux se percutent violement : leur énergie cinétique se transformant en chaleur, les
aggloméras se réchauffent et fondent (4) si bien que les matériaux qui les composent migrent suivant
leur densité : c’est la différentiation (5).
4
-2 Répartition de quelques Petits Corps
Les Petits Corps du Système Solaire sont, d’après la nouvelle définition de l'Union
Astronomique Internationale, tous les corps autres que les Planètes, les Planètes Naines et les
satellites. Donc les astéroïdes en font partie.
En
1772,
l’astronome
allemand Johann Elert Bode
confirma une loi du mathématicien
Johann Titius, qui indique un
moyen approximatif de calculer les
distances relatives des planètes au
Soleil : c’est la Loi de Titius-Bode.
R = 0,4 + 0,3x2n
Avec R correspondant à la
distance planète/soleil en unité
astronomique, et n le rang de la planète en prenant 1 pour la Terre. Grace à cette loi, Bode s’est
aperçu que le rang 3 n’était pas attribué, il y avait une lacune. C’est pourquoi il soupçonna
l’existence d’une planète non encore découverte. C’est l’astronome sicilien Giuseppe Piazzi qui
combla ce vide le 1er janvier 1801 avec la découverte de Céres dont il calcula la distance au soleil,
2,8 UA, ce qui correspond bien à la loi de Titius-Bode.
Quelle fut sa surprise en découvrant que Cérès n’était pas le seul objet gravitant entre Mars et
Jupiter ! Il ne s’agissait plus d’une planète, mais d’une multitude de corps : les astéroïdes.
Environ 90 000 astéroïdes sont recensés à l'heure actuelle dans cette zone nommée Ceinture
Principale. Leurs tailles varient de la centaine de mètres au millier de km pour Cérès, le plus gros
d'entre eux. Viennent ensuite Vesta et
Pallas. On estime à environ un million le
nombre d'astéroïdes de plus de 1 km de
diamètre. Mais la masse totale de ces
objets est seulement de l'ordre de 1/1000
de celle de la Terre.
Dans la Ceinture Principale, les
collisions sont extrêmement violentes et
généralement destructrices. On estime que
les astéroïdes subissent une collision tous
les milliards d'années : ils se disloquent et
des morceaux peuvent même se diriger
vers la Terre… en entrant dans notre
atmosphère, ils deviennent des ‘météores’
ou ‘météorites’. Ces dernières sont donc
représentatives de la composition chimique
différentiée des astéroïdes : 93% d’entre
elles sont de nature pierreuse, et les 7%
restants sont soit entièrement métalliques,
soit pierreuses/métalliques.
5
II°) Une méthode d’étude, les micrométéorites
-1 Récoltes de micrométéorites
Après ce bref récapitulatif posant une base pour la suite, nous avons voulu chercher ces
météorites pour en savoir plus sur les Petits Corps.
Quand ceux-ci tombent sur Terre à de très grandes vitesses (15km/s), ils sont freinés par
l’atmosphère : l’air autour du bolide atteint une température de plusieurs millier de degrés, formant
du plasma. C’est pour ça que la nuit nous voyons parfois des ‘étoiles filantes’. On estime qu’en
moyenne, sur les 11 mille tonnes de météorites tombant chaque année sur Terre, plus de la moitié (6
mille tonnes) sont si petites qu’on ne les remarque même pas : les micrométéorites.
Or si les grosses météorites tombent rarement et ponctuellement, 6 mille tonnes de particules
micrométriques doivent forcément se répartir de manière équitable sur la surface de globe : nous
avons donc plus de chance de trouver des micrométéorites que des gros bolides. Mais comment
identifier ces particules ?
•
Tant que les météores sont gros, l’échauffement atmosphérique n’altère que leur
surface.
• Plus ils deviennent petits, plus ils vont avoir tendance à se dégrader, si bien qu’environ 2/3
des micrométéorites sont vaporisées dans l’atmosphère, et retomberaient sous forme quasi
atomique et/ou sous forme de condensat de très petite taille (probablement < 1 µm).
• Le tiers restant des micrométéorites est soit totalement fondu sous forme de sphérules de
l’ordre du micromètre qu’une fois au sol elles gardent leur aspect sphérique. Soit les
particules sont si petites qu’elles ne sont pas affectées par l’atmosphère et retombent intactes.
Ainsi les particules que nous avons recherchées durant nos cinq expériences pouvaient se
distinguer des autres poussières par leur forme caractéristique de sphérule.
Expérience 1 (le récupérateur d’eau de pluie) :
Les micrométéorites pouvant être considérées comme
des poussières, et la pluie entrainant au sol les grosses
particules atmosphériques, nous avons dans un premier
temps suspecté les récupérateurs d’eau de pluie de
renfermer les précieuses météorites :
• Les particules de surface s’avèrent être du sable en
suspension, provenant probablement du Sahara.
• Les particules grossières au fond sont des morceaux
de tuile.
• Les particules fines au fond forment une sorte de
boue, qui une fois débarrassée des microorganismes présents et autres cellules, est en réalité du sable et de la tuile.
Aucunes sphérules visibles, et même s’il y en avait eu, la quantité trop importante de tuile et
de sable nous aurait empéché de les voir.
6
Expérimental 2 (la bâche nylon) :
Nous avons installé une bâche en nylon d’environ
2,5m² dans un patio du lycée, fixée par deux planches,
quatre briques et quelques clous. Nous avons percé la
toile en son centre et accrochés deux poids de chaque
côté, de façon à ce que l’eau puisse s’évacuer en ce
point. Pour ne plus retrouver le sable, nous avons
décidé de procéder à un tri magnétique des poussières,
de manière à n’obtenir que les 7% métalliques. Ainsi
un aimant emballé dans du film cellophane, posé au
fond d’une bouteille plastique (préalablement entaillée
à sa base pour l’évacuation de l’eau) a été positionné
sous le trou de la bâche pour que l’eau de pluie puisse
s’écouler librement sur l’aimant.
Après 3 à 4 semaines d’attente, nous avons délicatement retiré le film de l’aimant, et déposé les
particules dans une boîte de pétri :
• Aucune sphérule, nous attribuons l’échec à la superficie trop petite de la bâche, ou alors à son
instabilité.
Expérience 3 (bouteille en sortie de gouttière) :
Toujours en gardant le système de tri
magnétique, nous sommes revenus à l’utilisation de
grande surface collectrice, en l’occurrence un toit. En
reprenant l’Expérience 1, en ajoutant un système de
bouteille canalisant l’eau sur un aimant emballé de
film, et en l’appliquant dans deux lieux différents, l’on
obtient en quelques semaines deux résultats opposés :
• Avec un gros débit, en utilisant les toits en tôle
du lycée, on n’observe que de gros débris
oxydés, pas de sphérules qui de toute manière
ont dû être emportées par le débit.
• Avec un débit lent, en utilisant le toit en béton d’un petit garage, l’on remarque enfin des
sphères de différentes couleurs dans les échantillons!
Expérience 4 (traineau aimanté sur neige) :
Au lieu de récupérer les micrométéorites dans l’eau de pluie, nous avons aussi essayé de les
retrouver sur des champs de neige, de manière à ce que nos échantillons soient les plus purs possible.
Tout d’abord le lieu de récolte est situé à la campagne et isolé des habitations (raison de plus pour
tenter l’expérience).
Pour balayer de grandes surfaces, il a fallu un système mobile et aimanté : un ‘traineau’ fait de
deux barres de bois, de roues lui permettant d’avancer, et d’aimants Géomag qui offrent la
possibilité d’avoir une grande longueur attirante. Ces derniers doivent être très proches du sol,
quelques millimètres, pour capturer les poussières. Nous avons attendu deux semaines pour que les
poussières aient le temps de se déposer, puis nous sommes partis à la chasse. Aucun résultat :
• La surface enneigée, qui n’est pas parfaitement plane, frotte contre les aimants, décrochant
les particules magnétiques…
7
•
Ou alors, comme la température a été positive certains jours, la neige en fondant légèrement
a capturé les sphérules et les a entraînées sous la surface.
Expérience 5 (fonte du manteau neigeux) :
Comme son nom l’indique, il s’agit de prélever la surface
de la dernière couche neigeuse sur laquelle les poussières ont eu
le temps de se déposer, puis de la faire fondre et de faire un tri
magnétique des poussières contenues.
En réalisant une coupe du manteau neigeux, l’on remarque
une première couche A de 27 cm de hauteur, avec sa surface A*
ayant fondu puis gelé. Ensuite il s’est déposé par-dessus une
autre couche, B, de 13 cm de hauteur.
C’est celle-ci qui nous intéresse, car pendant deux semaines elle
n’a pas été altérée et les poussières s’y sont déposées. Or le
mauvais temps arrivant, l’on ne pouvait pas attendre d’avantage
avant de récolter. Nous n’avons pas récupéré toute la couche B,
car les poussières se déposent en surface, mais nous avons tout
de même pris les premiers centimètres, à cause du vent qui crée
des congères et un certain resurfaçage du terrain.
Dans un premier temps, une zone a été délimitée, en
prenant soin de ne pas marcher à l’intérieur, puis avec des pelles
nous avons récupéré la précieuse poudre blanche, en remplissant
des barils en plastique.
Surface de 6 x 6 mètres soit 36m² de récolte
Volume récolté : 4 barils de 180 litres soit 720 litres (ou 720 dm³
donc 0,720 m³) de neige.
Hauteur de prélèvement = Volume/Surface = 0,720 / 36 = 0,02
m (ou 2cm).
Le contenu de ses derniers a fondu en 3 jours, et avec un aimant
emballé dans du film, un tri magnétique a été réalisé : une fois
les aimants sortis de l’eau, nous avons délicatement déballé le
cellophane. Comme la boîte de pétri qui servait à rassembler les
échantillons était placée sur des aimants, une fois le film à
proximité, un léger bruit de choc nous indiquait que toutes les
particules étaient bien dans la boite, donc pas de perte.
• L’observation des échantillons révèle des centaines de sphérules noires.
• Impossible de les compter précisément car l’aimant les a tant magnétisé qu’elles se sont
agglomérées entre elles, et agglomérées aux débris inintéressants dont il a fallu se
débarrasser.
8
-2 Observation et exploitation des échantillons
Loupe binoculaire (x60) :
En s’armant d’une loupe binoculaire (ci contre) et
de beaucoup de patience, nous avons réussi à identifier
de nombreuses sphérules parmi nos échantillons. La
première chose que nous avons voulu faire fut de les
classifier pour savoir à quoi nous avions exactement
affaire, car elles n’étaient pas toutes semblables.
Pour ceci, il fallait les regrouper toutes de manière à
avoir une vue d’ensemble, or ceci n’est pas aisé car ces
poussières sont très petites, un examen sur une lamelle
micrométrique nous a montré qu’elles mesurent dans le
meilleur des cas 50 micromètres de diamètre. Ainsi nous
avons utilisé le bout d’une épingle pour les capturer : un
simple contact les lie à l’épingle grâce au magnétisme
qu’elles ont hérité suite à leur séjour sur l’aimant, et une
légère secousse les libère. D’ailleurs comme il est dit plus
haut, dans le cas de l’expérience 5 les aimants Géomag
(petits mais puissants) ont tellement magnétisé les
sphérules qu’approcher une aiguille les aurait toutes fait
se coller après, donc nous les avons noyé sous l’eau de
manière à ce que la tension de surface les empêche de
suivre l’aiguille lorsqu’on la retire. A l’inverse, certaines
sphérules n’étaient quasiment pas attirées par l’aiguille, ce
qui nous fait penser que l’expérience 3 a aussi piégé des
poussières non ferreuses. Un petit lot a donc été composé,
et une caméra reliée à un ordinateur a permis de réaliser
quelques clichés des échantillons.
A la loupe binoculaire on distingue nettement
différents types de particules. Cela dit, il n’existe aucun
classement scientifique de référence pour les
micrométéorites. Chaque équipe de chercheurs a ses
propres critères : par exemple, le Dartmouth College
(New Hampshire, USA) en compte 12 alors que Michel Maurette, (scientifique français spécialiste
dans le domaine), en dénombre plus de 150… Nous les avons donc nous aussi trié suivant nos
critères, c'est-à-dire la couleur et l’aspect. Le tableau des pages suivantes résume nos observations.
De plus, grâce à une grille de comptage que nous avons réalisé, il a été possible de les compter
une par une (expérience 3), d’abord dans l’échantillon contenant uniquement les micrométéorites,
puis dans l’échantillon initial où il restait un certain nombre de sphérules : cela dit, les plus petites ne
peuvent êtres comptées avec précision à cause des autres particules qui les cachent.
9
Micrométéorite
observée
Nom et
occurrence
« ferreuse »
50 %
car de couleur noire
carbonée, et apparence
de métal
(Elles représentent
100% des sphérules de
l’expérience 5)
« boule de neige »
25 %
Caractéristiques
observées
Spécificité
Elles sont de loin les plus
nombreuses dans nos
échantillons. Elles sont
_soit parfaitement lisses,
_soit granuleuses,
_soit tachées de nuances
de gris
Parfois, elles sont
regroupées en chaînes,
probablement par leur
magnétisme résiduel…
Elles sont assez nombreuses,
mais de formes passant de la
sphère simple à des formes
plus bosselées
Parfois, des formes
irrégulières
Elles paraissent vides,
comme un tégument intact.
(petit pois sans l’intérieur)
Parfois, des formes
irrégulières
Photo spécifique
nommées ainsi pour
leur ressemblance avec
la neige.
« or »
10 %
de couleur brune
10
« verre »
15 %
Elles sont assez nombreuses,
de forme variable, et de
teinte variable
Parfois elles
contiennent des bulles
d’air, parfois elles sont
comme cassées
Elles sont rares, et la sphère
rattachée ressemble à une
« verre »
Parfois de formes
irrégulières, avec deux
flagelles. Nous avons
aussi récolté de longs
filaments
car translucides
« spermatozoïde
extraterrestre »
(négligées lors du
comptage)
à cause de leur
ressemblance
Mensurations d’une
micrométéorite
moyenne (ici ferreuse)
Un carré de cette lamelle fait 50 x 50 µm.
D’après nos calculs (annexe) :
Volume micrométéorite = 523 333µm³
Masse micrométéorite type sidérite (métal) = 4,2 µg
11
-3 Comparaison avec d’autres échantillons
Il n’est pas impossible que les poussières récoltées soient d’origine terrestre, sorties d’un haut
fourneau ou d’une usine quelconque… Pour s’affranchir de cette pollution, le mieux est de récolter
dans un endroit éloigné des grandes villes et en particulier des pôles industriels. Il n’y a pourtant pas
de garantie, les aérosols pouvant voyager très loin avec les vents… Les scientifiques, quant à eux,
ont choisi un des endroits les plus isolés sur Terre pour les étudier : l’Antarctique.
Plusieurs techniques de récolte ont été expérimentées, avec leurs contraintes propres :
• Par exemple l’expérience Water Well at South Pole Station a consisté en la fonte à plus de
100 mètres de profondeur de quelques mètres cubes de glace. Les scientifiques ont ensuite
introduit une turbine mettant en mouvement l’eau de manière à ce qu’elle atteigne 4°C,
élargissant ainsi de plus en plus la poche d’eau. Actuellement, elle fait une vingtaine de
mètres de diamètre, et des milliers de particules ont été récoltées indépendamment de leur
composition et de leur aspect. Mais le fait qu’elles soient remuées continuellement dans l’eau
entraine l’altération des micrométéorites friables, les plus précieuses car non altérées par
l’atmosphère !
• Dans le cadre d’une autre mission, Concordia, une très belle collection de micrométéorites
est en train de se constituer. Les scientifiques creusent une tranchée dans la neige pour
accéder à des couches datant d’avant l’arrivée des infrastructures sur le site, prélèvent ces
couches avec des pelles, et la font fondre hermétiquement au ‘bain Marie’, en 24 heures, pour
limiter la contamination et la dégradation des échantillons. Ainsi ils ne récupèrent
pratiquement que des poussières cosmiques, que ce soit des sphérules fondues ou des grains
friables.
• Une dernière méthode consiste à observer les impacts de micrométéorites sur les engins
spatiaux. D’ailleurs, les études effectuées par la NASA après l'incident de Columbia
démontrent que les impacts de débris spatiaux représentent 11 causes sur les 20 principales
pouvant conduire à la perte d'une navette et de son équipage, des impacts étant déjà survenus.
Les sphérules trouvées grâce à Water Well
semblent visuellement correspondre aux nôtres.
On retrouve les «ferreuse», les «boule de neige»,
Les «or», et les «verre». En apparence en tout cas.
En connaissant la densité d’une météorite ferreuse, et en mesurant une micrométéorite « ferreuse »,
nous avons fait un rapide calcul (annexe) de leur flux, et nous arrivons au chiffre astronomique de
5,3 mille milliards de tonnes par an tombant sur Terre ! Les scientifiques se sont mis d’accord sur un
flux de 6000 tonnes par an, toutes micrométéorites confondues, soit un facteur de 109 avec nos
résultats. Donc quelque chose clochait dans nos échantillons, bien que la ressemblance apparente
soit troublante.
12
Microscope Electronique à Balayage (x600) :
Dans un second temps, nous avons eu la possibilité d’observer nos propres échantillons grâce à
un microscope électronique à balayage de l’Université de Franche Comté, qui en plus de donner des
images en haute résolution, permet aussi de les analyser : en effet le principe de ce microscope est
d’envoyer des électrons sur les échantillons. Or en percutant les atomes de surface, certains électrons
d’origine sont arrachés, créant un vide dans les couches où ils évoluent, et un autre électron d’origine
situé sur des couches plus externes, redescendant dans les couches pour combler le vide, va dégager
un rayon X spécifique de l’atome où il est en orbite, et un analyseur spécifique recevant ce rayon X
est capable de retrouver le numéro atomique de l’atome d’origine.
L’inconvénient est que l’utilisation de cette machine est délicate, couteuse, et l’analyse prend
un certain temps… nous n’y avions eu accès que pendant 6h, donc il a fallu choisir quoi analyser.
Toujours avec une aiguille, nous avons prélevé une dizaine de sphérules pour chaque catégorie, pour
ensuite les déposer délicatement sur une pastille carbone adhésive (une pour chaque sorte) d’un
diamètre d’un centimètre. Il a aussi fallu sacrifier toutes les sphérules de l’expérience 5 car comme
prévu, une fois l’aiguille approchée, seule la pastille adhésive aurait pu les séparer, ce qui a été le
cas. Ensuite les pastilles furent recouvertes d’une couche de 25 nanomètres de carbone pour devenir
conductrices, de manière à ce qu’il ne survienne pas de décharge électrique brutale.
Dès les premières images, qui étaient celles des micrométéorites « or », nous avons compris qu’en
fait, elles étaient assez dissemblables de par leur surface tantôt lisse tantôt légèrement granuleuse. De
plus, parfois il y a des grains à la surface de la sphérule, de composition chimique différente de la
sphère elle-même, d’où l’intérêt de prendre le temps de la précision.
Les résultats se trouvent sur les 5 pages suivantes.
13
Sphérule « or » (1)
Ca
1100
38% Si
41% Ca
13% Al
7% Mg
1000
900
Si
800
700
Trop de Calcium pour que ce soit une particule
extraterrestre.
extraterrestre De plus le pic de Magnésium est plus
faible que le pic d’Aluminium, alors que dans les
vraies
micrométéorites
c’est
généralement
l’inverse.
600
500
400
Al
300
200
Mg
100
Ca
O
Fe
0
5
Sphérule « or » (2)
Ca
800
36% Si
33% Ca
12% Fe et Al
7% Mg
Si
700
600
500
Idem que pour la (1)
400
300
Al
Fe
200
O
Zn
Mg
100
K
Ca
14
Sphérule « verre » (3)
Ca
700
Si
41% Si
38% Ca
14% Al
7% Mg
600
500
400
300
Idem que pour la (1) et (2) :
L’on constate que ces trois-ci
trois ont entre 30 et 40 %
de Silicium et de Calcium, ainsi que 7% de
Magnésium.
Or cette particule ne peut être que terrestre de par
sa forme, donc les particules précédentes le sont
aussi.
D’ailleurs une telle quantité de Silicium
Siliciu et de
Calcium fait penser à du ciment…
Al
200
Mg
100
O
0
5
Sphérule « boule de neige » (4)
1300
Si
1200
57% Si
27% Al
1100
1000
900
C’est un aluminosilicate (de potassium et de
calcium), donc une argile.
argile D’ailleurs sa structure en
feuillets est caractéristique de l’argile.
Al
800
700
600
500
400
300
200
100
0
O
K
Mg
Ca
Ca
Ti
Fe
Fe
15
Sphérule « or » (5)
Si
800
47% Si
22% Ti
17% Mg
10% Al
4% Ca
700
600
500
Ti
400
300
200
100
Le pic de Magnésium est supérieur au pic
d’Aluminium, ce qui est intéressant car comme dit
plus haut, c’est le cas en général dans les particules
extraterrestres, mais l’immense quantité de Titane
indique une origine terrestre.
Mg
Al
Ca
O
Fe
0
Fe
5
1400
Sphérule « boule de neige » (6)
Si
1300
69% Si
12% Al
9% K
7%Na
1200
1100
1000
900
800
Son spectre ressemble à s’y méprendre à celui d’un
reste de micrométéorite trouvé sur un panneau
solaire du télescope spatial Hubble.
Cela dit, rien que l’aspect de la sphérule nous fait
dire que c’est une particule terrestre : une telle
structure alvéolaire se serait forcément cassée dans
l’atmosphère.
700
600
500
400
Al
300
200
100
K
O
Na
Ca
Fe
Fe
16
Sphérule « ferreuse » (7)
Fe
800
61% Fe
18% Si
10% Al
10% Mg
700
600
500
C’est le spectre le plus susceptible de
correspondre à une
un sphérule cosmique de par son
pic de Magnésium et l’absence d’éléments faisant
penser à une origine forcément terrestre.
400
300
Si
200
Al
Mg
O
100
Fe
Ca
Mn
0
5
Sphérule «ferreuse» (expérience5)
(8)
Fe
1400
1300
1200
100% Fe
1100
1000
900
800
700
600
500
400
300
200
O
Fe
Elle est apparemment creuse, comme semblent
l’être un bon nombre des sphérules de
l’expérience 5.
5 Et d’après les électronographies
de l’université de Lille 1,
1 de tels creux existent
dans les micrométéorites.
micrométéorites
Mais une composition à 100% d’un seul élément
est suspecte, jamais une météorite n’avait eu
composition similaire.
100
0
Fe
17
Nos sphérules « ferreuses »
Ressemblances de surface
Micrométéorites (Antarctique)
Surface très lisse, malgré les
petites particules de pollution
présentes sur notre sphérule.
Surface granuleuse faisant penser
à un aggloméra grains dans les
deux cas, bien que les nôtres
ressemblent plus à des confettis.
Présence de creux importants.
On remarque des rainures qui se
retrouvent sur un cliché de vraie
micrométéorite ci après :
Formes géométriques, visibles
aussi sur cet autre cliché de nos
sphérules.
L’on retrouve aussi des systèmes
de rainures, bien visibles sur
l’électronographie de droite, on
les devine sur celle de gauche, à
cause du contraste moins bon du
microscope.
18
Notre dernière tentative pour essayer de déceler les particules extraterrestres avec leur simple
composition a consisté à calculer la température de la micrométéorite dans l’atmosphère, pour voir si
avec sa composition elle aurait pu fondre… Malheureusement, nos essais ont été infructueux car
trouver cette température pourrait être le thème d’un autre sujet d’olympiade. Certes, en établissant une
équation différentielle de l’accélération en fonction des forces s’exerçant sur la sphérule, l’on arrive
facilement à trouver une vitesse limite de 3 mètres par seconde pour une « ferreuse ». Mais en
convertissant la différence d’énergie cinétique en différence d’énergie interne, et avec différentes
formules pour trouver la différence de température résultante, l’on trouve un delta T° en degrés kelvins
d’environ 250 000, alors qu’en réalité il ne s’agit que de quelques milliers de degrés, d’où la
complexité de la dissipation thermique. Comme paramètres difficiles à aborder, il y a notamment la
dissipation de chaleur pas ionisation de l’air ambiant (c’est ce qui crée ‘l’étoile filante’), le temps de
chute, la densité de l’atmosphère qui n’est pas constante, de même pour la pesanteur qui augmente
durant la chute, etc.
L’idéal aurait été de réaliser des coupes transversales de nos échantillons, de manière à analyser
l’intérieur des sphérules, intérieurs non contaminés par les méthodes de récolte, qui sont plus
révélateurs quant à l’origine des particules. mais cela étant onéreux et long, nous n’avons pas pu le
faire.
Pour conclure sur cette partie, nous pouvons dire que nous n’avons pas analysé de sphérules
d’origine extraterrestre certaine, et c’est ce que conclue également une chercheuse travaillant sur le
même sujet. D’ailleurs les scientifiques estiment le flux à 1 micrométéorite par an et par mètre carré.
Nous avions donc peu de chance de réussir, en définitive, mais nous n’avons pas tout perdu ! En effet
maintenant nous savons quelles sont les méthodes les mieux adaptées pour récupérer des sphérules
atmosphériques : soit en réalisant un tri magnétique de l’eau en sortie de gouttière à petit débit, soit en
faisant fondre la neige de surface qui a été exposée durant une longue période à la chute éventuelle de
poussière cosmique. Et bien que nos analyses soient a priori négatives (‘a priori’ car il est très difficile
de trouver d’autres spectres à comparer, et chaque particule extraterrestre est unique), peut-être que
dans les particules diverses et variées que nous n’avons pas faites analyser, il se pourrait qu’une
micrométéorite ait été présente.
On peut dire que si aucun élément caractéristique d’une origine extraterrestre ai été trouvé dans nos
échantillons (Nickel, Iridium), il n’y a pas non plus d’éléments caractéristiques d’une origine terrestre
dans les sphérules ‘finalistes’.
Le dernier point sur lequel nous voulons insister est quand même la ressemblance frappante avec les
échantillons de l’USACE. Les couleurs sont les mêmes, et en comparant nos électronographies à celles
d’échantillons trouvés en Antarctique, on s’aperçoit qu’il y a nombres de points communs du point de
vue de l’aspect, malgré quelques différences inévitables car chaque particules est unique…
Il n’est donc pas étonnant que les scientifiques fuient en Antarctique pour échapper à la pollution des
régions habitées, pour trouver de VRAIES micrométéorites, calculer de VRAIS flux, trouver de
VRAIES compositions chimiques, et ainsi remonter aux astéroïdes ou aux comètes les ayant produites.
Mais des échantillons, si précis soient-ils, ne suffisent pas à rendre compte d’un corps dans sa
globalité. C’est pourquoi nous allons nous intéresser dans une deuxième partie à la photométrie
d’astéroïdes, c'est-à-dire à la détermination de leur période de rotation en fonction de leur luminosité.
19
III°) Photométrie d’astéroïde
-1 Simulation mathématique d’astéroïde
Nous avons voulu simuler mathématiquement un astéroïde
avant d’en observer un réel, pour comprendre le comportement de ce
dernier au télescope.
Le problème s’est posé de trouver les conditions initiales sous
lesquelles notre modèle se rapprocherait au mieux de la réalité tout en
restant abordable. Pour les modéliser, il faut aussi connaître leur
forme. Or les astéroïdes ont des formes très différentes. Il nous a
donc fallu choisir un modèle type qui soit assez représentatif. Ainsi
nous avons retenu les conditions suivantes :
• L’astéroïde est un ellipsoïde parfait tournant uniquement sur
son petit axe avec une vitesse angulaire constante.
• Il est situé à l’opposition (Soleil, Terre, et astéroïde sont
alignés). On suppose sa distance à la Terre constante, de
même que l’intensité lumineuse solaire.
• Sa surface est monochromatique, donc la luminosité perçue de
l’astéroïde correspond directement à sa surface visible
Là, il faut essayer de se représenter l’ellipsoïde tournant sur luimême, et nous qui l’observons depuis la Terre. Cela équivaut (si l’on
change de référentiel) à ce que l’ellipsoïde soit immobile et que nous
tournions autour de lui.
Nous tournons autour de l’objet ; nous n’en voyons qu’une certaine
surface qui va varier au cours du temps. C’est comme si un plan
venait couper la figure perpendiculairement à notre vision. Les
dessins de droite illustrent bien ces explications en montrant ce que
voit une personne qui tourne autour de l’objet.
D’après le troisième point, c’est l’aire de coupe de l’objet par le
plan qui correspond à la luminosité perçue. Cette surface est en fait
une ellipse, et son aire est définie par :
Aire perçue = semi petit axe x semi grand axe x π
On remarque que le plan coupe toujours l’objet en son centre, si bien
que le petit axe perçu ne varie jamais.
Par contre, le semi grand axe, lui, varie en fonction de l’angle de
rotation . Or, avec une ‘ellipse trigonométrique’ (annexe) il est
possible de retrouver la mesure de ce semi grand axe par la relation
avec OA le semi grand axe perçu,
a et b les semi petit et grand axes de l’ellipse formant l’ellipsoïde,
θ l’angle de rotation du plan, donc de l’objet.
20
Ainsi nous pouvons connaître l’aire d’une ellipse pour un angle donné. Et d’après le premier
point, la vitesse angulaire étant constante, il devient possible grâce à un tableur de tracer des
graphiques d’aires observées d’ellipsoïdes en fonction de leur rotation.
Voici l’aire apparente d’un ellipsoïde faisant 4,25 rotations et ayant un semi grand axe de
dimension 2 et un semi petit axe de dimension 1 (en unité arbitraire). Cette courbe a été élaborée avec
comme phase de départ l’ellipsoïde vue de profil, moment où son aire apparente est la plus importante.
Voici théoriquement les différences de luminosité que l’on devrait observer au télescope avec un
astéroïde ressemblant à cet ellipsoïde.
Mais pouvions-nous passer directement de l’abstraction mathématique à la réalité physique ?
Notre modèle s’est basé sur certaines conditions initiales sans lesquelles il ne serait pas valide. Or
l’astéroïde est susceptible de ne pas remplir ces conditions…
Il nous fallait donc passer par un modèle intermédiaire entre l’ellipsoïde et l’astéroïde : la pomme de
terre.
21
-2 Une analogie avec une pomme de terre
En observant les images existantes d’astéroïdes, l’on remarque qu’ils
ressemblent beaucoup à des pommes de terre. Ainsi pour reconstituer leur
comportement, nous avons tout d’abord peint en blanc des pommes de terre.
Ensuite, il fallait les faire tournoyer en hauteur de manière à avoir l’illusion de
l’isolement dans l’espace. Pour cela, nous avons construit un support adapté en
Mécano faisant un tour en deux secondes (une fréquence raisonnable pour
l’observation).
Une fois le légume planté dessus, la lumière du Soleil a été remplacée par une lampe.
La première tentative pour mesurer la luminosité
de la pomme de terre fut d’utiliser un luxmètre :
• Luxmètre attaché sous la lampe et dirigé vers la
pomme de terre : aucun résultat notable, la
lampe a peut-être affecté le luxmètre…
• Luxmètre entre la lampe et le Mécano : aucun
résultat, peut-être le drap noir qui ne l’était pas
tout à fait dérange l’appareil…
• Montage inverse : luxmètre placé à contre jour,
derrière le montage. Les résultats auraient dû
être inversés, mais rien. En définitive, le luxmètre était sûrement trop directionnel.
Il nous fallait donc trouver un autre chemin pour simuler de vrais résultats, après le fiasco des
tentatives ‘Luxmètre’. La seule solution était d’utiliser le même principe qu’avec le télescope : suivre
un astéroïde durant toute la nuit avec une caméra.
La luminosité de l’objet va varier, à cause de sa rotation mais on la compare à la luminosité connue
d’une étoile à proximité.
Donc nous avons réutilisé la pomme de terre tournante avec une caméra, et grâce au logiciel
d’astronomie Iris, l’expérience a été concluante. Voici les courbes de luminosité apparente (en unité
arbitraire) de quelques objets en fonction du temps (en dixièmes de secondes), que l’on appelle aussi
‘courbes de lumière’ : voir page suivante
L’on constate que notre modèle mathématique a des limites, la texture de surface et l’inclinaison
de la partie visible affecte les résultats…
Cela dit, la courbe de lumière de l’ellipsoïde quasi parfaite coïncide parfaitement avec la courbe
mathématique faite pour un objet semblable, ce qui prouve que malgré quelques limites, notre modèle
est valide et nous pouvons tenter d’observer un vrai astéroïde :
22
Sphère tachée sur un coté
On retrouve
facilement la période
de rotation.
Le coté sans tache est
plus lumineux que le
coté taché : donc la
texture de surface
affecte les résultats
Pomme de terre pointue
On retrouve
facilement la période
de rotation.
C’est lorsque la pointe
passe devant la
caméra que la
luminosité chute :
donc l’inclinaison de
la surface visible
affecte les résultats.
Ellipsoïde imparfaite
On retrouve
facilement la période
de rotation.
Ellipsoïde quasi parfaite
On retrouve
facilement la période
de rotation bien
qu’elle puisse se
confondre avec celle
de la sphère tachée.
23
-3 Photométrie réalisée sur l’astéroïde 349 Dembowska
Problème de localisation de l’astéroïde :
L’aboutissement de nos modélisations fut bien sûr
d’observer nous-même un astéroïde et de retrouver sa courbe
de lumière. Dans un premier temps nous avons demandé de
l’aide à un astronome amateur pour nous montrer la marche à
suivre, puis nous avons fait nos propres mesures grâce au
télescope du lycée et avec un appareil photo. Notre cible était
un astéroïde répondant au nom mélodieux de ‘349
Dembowska’, dont nous savions qu’il tournait sur lui-même
en 4,701 heures, ce qui nous permettait sur une nuit
d’observation d’obtenir sa courbe de lumière entière.
Une fois l’astéroïde choisi, on recherche précisément sa
position sur une carte du ciel. Or, depuis la Terre, rien ne
permet en apparence de discerner un astéroïde d’une étoile :
c’est un point lumineux comme un autre. Ainsi il est essentiel
d’adapter l’échelle de la carte au champ d’observation de la
matrice de l’appareil photo, de manière à ce que l’on puisse
se repérer.
Il faut donc calculer la surface de ciel que la caméra balaye (calculs en annexe), et nous trouvons 0,64
x 0,43° soit un rectangle pouvant contenir une pleine Lune, ce qui est relativement peu par rapport au
champ qu’avait l’astronome car sa lunette couplée à sa caméra CCD lui permettait de couvrir une
parcelle de 6 pleines Lunes (1,6 x 1,08°) !
Maintenant que l’échelle de la carte est connue, on repère les étoiles les plus lumineuses qui se
distingueront des autres étoiles au télescope. Ainsi, une fois l’appareil dirigé dans la bonne zone du
ciel, on identifie les étoiles lumineuses et donc la position de l’astéroïde. De plus, pour l’étape finale, il
faut qu’au moins une de ces étoiles de référence ait une luminosité connue, d’où l’intérêt d’avoir un
grand champ d’observation pour choisir l’étoile la plus appropriée, tout en sachant qu’il faut aussi
qu’elle soit située à proximité de l’astéroïde.
Problème de l’absorption de l’atmosphère :
Une fois l’astéroïde repéré, comme nous n’allons pas prendre en compte l’atmosphère dans nos
calculs de traitement, il faut attendre que 349 Dembowska se rapproche du méridien pour avoir une
masse d’air la plus petite possible entre lui et le télescope. En effet, l’atmosphère est faite de gaz, et ces
gaz ont tendance à absorber la lumière différemment suivant ses longueurs d’onde. Si l’atmosphère est
bleue le jour, c’est parce que la lumière blanche du Soleil, arrivant à la verticale du sol, est absorbée et
diffusée dans son spectre bleu perpendiculairement à la trajectoire des rayons incidents, donc
parallèlement au sol, dans tout le ciel. De la même manière, si le ciel est rouge le soir, c’est parce que
la lumière blanche du soleil, qui arrive parallèlement au sol, est absorbée et diffusée dans le rouge
toujours dans le même sens que les rayons incidents, alors que le bleu est toujours diffusé
perpendiculairement aux rayons incidents, c'est-à-dire en direction du sol ou de l’espace.
Ainsi lorsqu’un objet est situé haut dans le ciel, ce qui était le cas pour 349 Dembowska, il est
préférable d’utiliser un filtre rouge, et c’est ce que nous avons fait.
Ces deux précautions, le passage au méridien et le filtre rouge nous ont permis de négliger
l’atmosphère.
24
Problème mécanique :
Bien entendu, c’est grâce à la matrice de l’appareil photo que l’on règle le télescope sur
l’astéroïde. C’est elle qui va enregistrer les images. Le problème est qu’elle doit toujours avoir dans
son champ l’astéroïde et l’étoile de référence. Or la Terre tournant, nous avons l’impression que les
étoiles tournent. Pour compenser cette rotation, le télescope dispose d’une monture motorisée qui
compense cet effet en tournant à l’inverse, et sur de courtes périodes rien ne bouge sur la matrice…
alors que sur de longues périodes, l’image se décentre de plus en plus à cause des problèmes de la
monture (mécanique… dont imparfaite), et les deux points lumineux finissent par disparaitre.
Il faut alors utiliser un logiciel d’autoguidage qui, relié à la monture, va repérer une étoile observée, et
envoyer en temps réel des corrections de déplacement pour que l’étoile reste toujours ‘à sa place’.
Prétraitement et traitement des images :
Maintenant que nous avons les images, un prétraitement s’impose avec le logiciel iris, qui va
recentrer parfaitement toutes les images, et entre autre leur enlever les traces de poussière présentes
sur la lunette (ceci est décrit plus en détails en annexe).
L’étape finale consiste au traitement des images, car si les images sont ‘propres’, il reste à
calculer la courbe de lumière. Pour plus de précision, les images ont été légèrement défocalisées ; c’est
pour ça qu’elles apparaissent légèrement floues sur l’image
Tout d’abord on va choisir une des étoiles de référence dont nous connaissons la luminosité.
Or il peut s’agir d’une étoile à luminosité variable ! Donc pour vérifier, on demande à Iris de
nous donner sa luminosité (en unités arbitraire) en fonction du temps, et si la courbe qui en résulte est
une droite, alors on peut continuer en utilisant cette étoile.
Une fois l’étoile de référence choisie, on demande au logiciel de calculer la luminosité relative de
l’astéroïde par rapport à cette étoile… et voici le résultat :
25
L’on distingue deux pics de lumière forte, et trois pics de lumière faible sur ce graphique (compte tenu
de la légende de l’axe des ordonnées). Mais comme ils ne sont pas semblables, on peut penser que la
rotation ne ressemble pas à celle de la boule noire et blanche. De plus, pour arriver au premier pic de
lumière, la luminosité croît régulièrement, ce qui semble être la même chose pour l’arrivée au 3ème pic
de lumière, (non visible). Ainsi l’on peut conjecturer que cet astéroïde est de forme ellipsoïde, d’une
période d’approximativement…
23,976 - 23,782 = 0,194 jours soit 4,656 heures ce qui correspond environ à la période de 4,701 heures
que trouvent les scientifiques !
26
Depuis la nébuleuse solaire primitive, nous avons fait du chemin… Les particules se sont
sédimentées, condensées et regroupées en planétésimaux. Les planètes qui en sont le résultat le plus
avancé cohabitent encore avec des corps primitifs tels les astéroïdes qui expulsent régulièrement des
débris vers la Terre. Ces débris peuvent êtres de toute taille, du kilomètre à des particules invisibles à
l’œil nu, appelées micrométéorites. Celles-ci étant le plus gros apport de matériaux extraterrestre sur
Terre, leur étude est d’autant plus importante qu’elles auraient pu être un élément indispensable quant
à l’apparition de la vie sur Terre.
L’étude des micrométéorites peut se faire sans trop de matériel, juste avec un aimant et une
descente de gouttière, ou alors avec la surface d’un champ de neige, tout en prenant des précautions
pour éviter la pollution des résultats par des particules terrestres. Grâce à ces expériences, nous avons
pu récolter ce que nous avons pris pour des micrométéorites, car elles ressemblent à s’y méprendre à
celles trouvées en Antarctique. Nous avions classifié ces sphérules en 4 catégories, les micrométéorites
« ferreuses » (50%), les « boules de neige » (25%), les « verre » (10%), et les « or » (10%). Cela dit, en
tenant compte uniquement des « ferreuses », nous arrivions à un flux de 5300 milliards de tonnes par
an tombant sur Terre, alors que les scientifiques ne le calculent qu’à 6000 tonnes par an.
Nos échantillons étaient donc contaminés, et un passage sous le microscope électronique nous a
démontré que les « or » et « verre » étaient en réalité des particules de ciment vitrifiées, ensuite les
« boules de neige » étaient soit de l’argile, soit des particules alvéolaires ne pouvant être que terrestres.
Restent les « ferreuses », les plus intéressantes car à part certaines issues de l’expérience 5 qui sont
creuses et composées à 100% de Fer, les autres possèdent une composition qui bien que n’indiquant
pas une origine extraterrestre certaine, n’indiquent pas non plus une origine terrestre certaine. Là réside
le problème principal de récolter des micrométéorites dans une zone industrialisée, même en
campagne… Par conséquent, réaliser des coupes de milliers de sphérules (ce qui est long et onéreux)
pour trouver une micrométéorite, ne serait pas rentable. Or les projets scientifiques étant financés
suivant leur rentabilité, l’on comprend pourquoi les scientifiques vont en Antarctique pour trouver
leurs particules cosmiques, et ne restent pas dans les zones industrialisées.
Mais trouver des micrométéorites n’est pas une fin en soit. Leur analyse nous aide à reconstituer
la composition chimique des astéroïdes ou des comètes d’où elles proviennent, ces corps susceptibles à
la fois d’avoir apporté la vie sur notre planète, et de rentrer un jour en collision avec la Terre, ce qui
pourrait l’anéantir. De plus, avoir la composition d’un astéroïde n’éclaire qu’en partie la connaissance
que l’on a de l’objet dans sa totalité. D’autres choses sont importantes, comme par exemple leur
période de rotation sur eux-mêmes. Pour évaluer cette rotation, on utilise une méthode appelée
photométrie, qui consiste à étudier la luminosité de ces petits corps. On peut dans un premier temps
avoir recours à un modèle mathématique qui suppose qu’un astéroïde est ellipsoïde, et que s’il est
placé à l’opposition (la Terre se trouve entre lui et le Soleil), la luminosité que nous recevons est
proportionnelle à la surface perçue. Mais en confrontant ce modèle à une simulation avec des pommes
de terre tournant sur elles-mêmes, nous avons constaté que certains paramètres vont à l’encontre de
l’hypothèse initiale : par exemple la couleur de surface fait varier la luminosité, de même que l’angle
sous lequel la lumière touche la surface. Cela dit, si l’astéroïde est bien ellipsoïde et blanc, on retrouve
la même courbe de lumière qu’avec le modèle mathématique. Ainsi, en s’étant assuré de la relative
validité du modèle, nous sommes passés à l’observation d’un vrai astéroïde, 349 Dembowska. Grâce à
un télescope C8 et à un appareil photo numérique, nous avons retrouvé l’objet en question dans le ciel,
puis réalisé des images au cours d’une nuit : ces dernières, une fois traitées, nous ont permis de
retrouver la courbe de lumière de l’astéroïde, et sa période qui correspondrait à une forme ellipsoïdale.
Nous sommes encore loin de tout connaître sur le système solaire. Chaque jour apporte son lot de
surprises. Mais cette recherche n’est pas inutile : comme l’a fait remarquer l’astronome Stephen
Hawking, "La survie de la race humaine sera menacée tant qu'elle restera concentrée dans sa totalité
sur une seule planète. Des catastrophes comme une collision avec un astéroïde sont parfaitement
capables de nous détruire tous sans laisser un seul survivant."
Voici tout l’enjeu de l’étude des petits corps du système solaire.
27
Annexe
Lamelle micrométrique (ou calculs préliminaires) :
Avec le pas de la lamelle, on voit que le rayon de la micrométéorite (MM) fait 50µm
D’où Volume MM = 4/3 x π x R³ = 523 333 µm³
Les échantillons étant magnétiques, on suppose que notre MM est une sidérite, c'est-à-dire qu’elle
provient du cœur des astéroïdes différenciés, elle est composée de 10% de Nickel et de 90% de Fer.
Densité sidérite = 8
D’où Masse volumique MM = 8000 kg/m³
Soit 8000 x 10-18 kg/µm³
Soit 8000 x 10-9 µg/µm³
Ainsi Masse MM « ferreuse » = 523 333 x 8000 x 10-9 = 4,2 µg
Nous avons trouvé 145 MM « ferreuses » qui s’apparentent à des sidérites :
Masse échantillon MM « ferreuses » = 145 x 4,2 = 609 µg
La récolte a duré deux semaines, dans une année il y en a 54 soit 27 fois plus :
Masse MM « ferreuses » = 27 x 609 = 16443 µg/an/échantillon
Soit 16,443 g/an/échantillon
Aire de récolte = 10m²
Dépôt MM « ferreuses » = 1,64 g/an/m²
Soit 1,64 x 106 g/an/km²
Soit 1,64 tonnes/an/km²
La surface de la Terre étant de 3,24 x 1012 km² :
Flux MM « ferreuses » = 1,64 x 3,24 x 1012 = 5,3 x 1012 tonnes/an
Soit 5,3 mille milliards de tonnes par an !!!
Calcul du champ d’observation de la caméra
Matériel utilisé :
• Télescope Celestron8
• Appareil photo Canon 20d
Focale 2000mm
Matrice 22,5 x 15 mm
Diamètre objectif 200mm
Pixels 6,4 µm²
La matrice de l’appareil photo est placée au foyer du télescope pour qu’une image se forme dessus.
Elle est donc sur le plan focal image de l’objectif, là où
la lumière des objets situés à très grande distance du
télescope se focalise (en l’occurrence la lumière des
étoiles et des astéroïde). Seul un miroir plan secondaire
va dévier la lumière de cette focalisation, mais pour les
calculs cela revient au même. La matrice étant placée
perpendiculairement à l’axe optique du télescope, sa
distance à l’objectif étant égale à la focale, et le
diamètre apparent de son champ d’observation faisant
un angle α avec l’objectif, nous avons un triangle
rectangle :
28
Tan (α) = matrice/focale
• Tan α = 22,5/2000 d’où α = 0,64°
• Tan α = 15/2000 d’où α = 0,43°
Donc on observe une région du ciel de 0,64° x 0,43° soit environ la taille apparente d’une pleine Lune.
L’ellipse trigonométrique
Comme le montrent les
dessins ci-contre, un ellipsoïde
est formé d’une ellipse « de
base » qu’on le regarde de
face, ou de haut.
Vue de face, mais en tournant
autour de l’objet, on se rend
compte que le demi grand axe
de l’ellipse perçue va varier.
L’extrémité de ce demi grand
axe de l’ellipse perçue va se
déplacer en réalité sur le
périmètre de l’ellipse que l’on
voit en regardant du haut.
Le dessin de droite montre l’ellipsoïde tournant d’un angle θ, ou notre plan de coupe tournant
d’un angle θ.
Il faut donc trouver une relation entre angle de rotation et la mesure du demi grand axe de l’ellipse
perçue. Notre situation nous rapproche du cercle trigonométrique que l’on utilise en mathématiques…
Dans
le
cercle
trigonométrique, l’on retrouve
la relation cherchée. En effet,
grâce
au
théorème
de
Pythagore sur les triangles
rectangles, il existe une
relation entre angle et mesure
du rayon. Ceci est valable pour
un cercle. Pour notre ellipse,
c’est assez semblable : les
mesures vont juste dépendre du
demi petit axe et du demi
grand axe.
29
Prétraitement
Sur la première image, on va d’abord montrer à Iris une étoile et lui indiquer la zone où cette même
étoile dévie au cours du temps : l’ordinateur va ensuite recentrer toutes les images par rapport à l’étoile
en question.
Grâce à cela, on peut superposer la première et la dernière image pour observer le mouvement de
l’astéroïde.Mais on voit aussi que le fond du ciel n’est pas tout à fait noir : cela est dû aux défauts de la
caméra et du télescope. Ainsi, avant l’observation, il faut réaliser des images spéciales capables de
révéler ces défauts :
• L’ ‘Offset’ qui correspond à une image avec un temps de pose proche de 0 secondes et dans le
noir. En effet la matrice possède des composés électroniques qui émettent du rayonnement
électromagnétique perturbant les pixels.
• Le ‘Dark’ signifiant noir en anglais car l’on bouche le télescope et l’on enregistre quelques
secondes : la matrice n’enregistre donc aucune lumière mais des points blancs apparaissent tout
de même, ce sont les pixels chauds de la caméra.
• Le ‘PLU’ (Plage de Lumière Uniforme) qu’on obtient en braquant le télescope sur le ciel à
l’aube ou au crépuscule, quand aucune étoile est visible : sur cette lumière uniforme l’on voit
les poussières présentes sur le miroir du télescope.
Or comme les images obtenues sont numériques, c'est-à-dire faites de chiffres, on peut
mathématiquement les additionner et les multiplier.
Pour obtenir un Dark réel, on enlève l’Offset au Dark, car les rayonnements électromagnétiques ont
perturbés les mesures.
De même, pour obtenir un PLU réel, on lui enlève l’Offset et le Dark réel.
Pour corriger les images des défauts de la matrice et du télescope, on soustrait aux images brutes
l’Offset puis le Dark réel. Ensuite pour éliminer les poussières, on divise les images obtenues par le
PLU réel.
Pour comprendre pourquoi, il faut faire un petit exemple dans lequel on donne des valeurs aux pixels
proportionnellement à la luminosité observée :
Image PLU réel :
1000 800 1000
(on remarque qu’il y a une poussière au deuxième pixel qui absorbe 20% de la lumière)
Image de ciel presque noir :
10
8
10
(la poussière absorbe toujours 20% de la lumière au pixel 2)
Image ciel noir/PLU réel : 10/1000 8/800 10/1000
0,01 0,01 0,01
Soit
(la poussière a été corrigée, l’image est uniforme, et le logiciel augmente artificiellement ces valeurs
pour avoir une luminosité proche de la réalité. Ainsi la luminosité relative est respectée)
Au final, l’on obtient la formule suivante :
Image prétraitée = (Image brute – Offset – Dark réel) / PLU réel
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Bibliographie
-Images pour le I°) :
http://nssdc.gsfc.nasa.gov/image/astro/hst_pillars_m16_close.jpg
http://astropc0.ulb.ac.be/Publications/aj_seuls_fichiers/image002.gif
http://www.aim.univ-paris7.fr/CHARNOZ/homepage/SYSTEME_SOLAIRE/disk_color.jpg
http://cse.ssl.berkeley.edu/bmendez/ay10/2002/notes/pics/bt2lf0816_a.jpg
http://www.lesia.obspm.fr/~erard/docs/asteroids/images/Ast_met.jpg
http://www.planete-astronomie.com/Asteroides/Asteroides-00.php
-Ida : http://www.astronomes.com/i1_solaire/ida.jpg
-Micrométéorites de l’USACE Cold Region Research and Engineering Laboratory:
http://www.crrel.usace.army.mil/es/research/micrometeorites.htm (clichés remis à jour)
http://physicsworld.com/cws/article/news/3262/1/news-2-17-4-1
-Electronographies des poussières de Concordia :
http://www.univ-lille1.fr/lspes/meteor/mms_meb.html
-Classification du Dartmouth College :
http://remf.dartmouth.edu/micrometeorites/
-Conseils pour récolter les micrométéorites sur neige :
http://meteorites.superforum.fr/discussion-generale-f2/recolte-de-micro-meteorites-sur-la-neiget171.htm
-Différences entre vraies ou fausses météorites :
http://meteorites.wustl.edu/id/metal.htm
-Conférence de Michel Maurette, directeur de recherche au Centre de Spectrométrie Nucléaire et de
Spectrométrie de Masse d’Orsay (CSNSM) concernant l’origine micrométéoritique de l’apparition de
la vie sur Terre :
http://www.cerimes.education.fr/index.php?page=fiches,view,222779
-Base de données concernant les paramètres orbitaux des astéroïdes connus :
http://asteroid.lowell.edu/cgi-bin/koehn/astfinder
Nous tenons tout particulièrement à remercier Philippe Rousselot, astronome à l’observatoire de
Besançon, pour nous avoir coaché depuis le début de notre aventure, et nous avoir mis en relation avec
Cécile Engrand, chercheuse au CSNSM, qui nous a donné son avis concernant nos sphérules.
Mais aussi Mr Rouge, ingénieur en microscopie électronique qui nous a révélé toutes les
subtilités de cette machine formidable, et Martine Buatier, géologue à l’université de Franche-Comté
pour son accompagnement lors de l’analyse des échantillons, et ses précieux conseils quand à
l’interprétation des résultats.
Concernant la partie télescope, un grand merci à l'observatoire de Paris (opération Sciences à
l'école) pour le prêt du télescope C8 et de la monture, et à l’observatoire de La Perdrix (25) pour nous
avoir accueilli sur son terrain. Et nous n’aurions pas réussi à obtenir des résultats corrects sans Mickaël
Porte, astronome amateur nous ayant initié à l’observation des astéroïdes.
Mais notre projet ne serait pas arrivé à son terme sans l’aide de Marie-Noëlle Mouge, laborantine
du lycée qui, tout au long de l’année, a mis à notre disposition une salle pour pouvoir observer nos
échantillons, supporté nos va-et-vient continuels et nos demandes incessantes de matériel.
Et évidemment un immense merci à Nicolas Esseiva, professeur de SVT, qui nous a consacré
beaucoup de son temps, sans oublier Mr Lhomme, professeur de Physique, sans lesquels notre travail
n’aurait pas pu aboutir.
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