TP7 La physique du redshift

PARTIE 1 : Ondes et applications
TP7
La physique du redshift
Comment mesurer la vitesse d’un astre à partir de son spectre ?
OBJECTIF : Utiliser des données spectrales et un logiciel de traitement d’images pour illustrer
l’utilisation de l’effet Doppler comme moyen d’investigation en astrophysique.
Document 1 : L’effet Doppler et la lumière des étoiles.
En appliquant l’effet Doppler sonore à la lumière, Christian Doppler (1803-1853), mathématicien et
physicien autrichien, suggère que la couleur des étoiles est une conséquence de leur mouvement par
rapport à la Terre. Le physicien et astronome français Hippolyte Fizeau (1819-1896) démontre en 1848
que la vitesse des étoiles est trop faible par rapport à celle de la lumière pour que cet effet soit
observable.
Il conclut cependant que les raies d’absorption d’un élément chimique sur le spectre d’une étoile en
mouvement par rapport à la Terre doivent être décalées par rapport à leur position sur le spectre du
Soleil (dont la distance à la Terre varie peu). La mesure de ce décalage permettrait alors de remonter à
la vitesse de l’étoile dans la direction de l’observation : on appelle cette composante la vitesse radiale.
Position d’une même raie sur…
1
Document 2 : Le décalage Doppler-Fizeau.
∆λ vr
=
avec
λ0 c
→ λ0 : longueur d’onde de la raie étudiée dans le spectre de raie d’absorption d’une étoile fixe (ici
c’est le Soleil qui est supposé fixe par rapport à la Terre),
Le décalage Doppler-Fizeau en longueur d’onde est donné par :
→ λ’ : longueur d’onde de la raie étudiée dans le spectre de raie d’absorption d’une étoile mobile,
→ ∆λ = λ '− λ 0 ,
→ vr : vitesse radiale de l’étoile par rapport à un observateur sur Terre,
→ c : célérité de la lumière dans le vide.
Cette expression n’est valable que pour des vitesses nettement inférieures la vitesse de la lumière dans
le vide.
Document 3 : Portion du spectre de l’étoile HD 271182.
Le document ci-dessous (fichier : TP7_spectres_Soleil_etoileHD271182.bmp téléchargeable à l’adresse
http://gserwar.free.fr/uploads/TerminaleOndes/TP7_spectres_Soleil_etoileHD271182.bmp ) reproduit
dans sa partie supérieure une portion du spectre de l’étoile HD271182 (l’intensité lumineuse des raies
est inversée car le spectre a été enregistré sur un négatif photo). La partie inférieure du document
correspond au spectre du Soleil qui sert de référence. Dans cette partie du spectre on met en évidence
deux raies correspondantes au fer atomique Fe(I) notées : raie 1 et raie 2.
Les astronomes ont identifié dans le spectre de l’étoile ces deux raies de cet élément notées : raie 1D et
raie 2D.
Document 4 : Exploitation d’une image avec un logiciel de lecture d’intensité
lumineuse (Regavi pour Regressi)
Lancer Regavi.
Choisir : Lecture d’intensité lumineuse.
Réaliser l’étalonnage de l’image avec la droite :
Aligner l’autre droite sur l’axe le long duquel on veut mesurer l'intensité
lumineuse en veillant à faire coïncider l’origine avec la croix :
On visualise alors la courbe d’intensité lumineuse en fonction de la position
Basculer vers Regressi pour faire les mesures.
2
TRAVAIL À EFFECTUER
ANALYSER : 20 min conseillées
1. Quelle est l’origine des raies noires visibles sur le spectre solaire ?
2. En utilisant vos connaissances sur l’effet Doppler sonore, justifier que l’étoile s’éloigne ou se
rapproche de la Terre.
3. Élaborer un protocole permettant de déterminer la vitesse radiale de l’étoile (travailler sur deux
valeurs pour une analyse plus précise).
APPEL N°1
Appeler le professeur pour lui présenter le protocole expérimental
ou en cas de difficulté.
3
RÉALISER : 20 min conseillées
4. Déterminer la vitesse de l’étoile. Consigner vos résultats ci-dessous.
APPEL N°2
Appeler le professeur pour lui présenter vos résultats expérimentaux
ou en cas de difficulté.
VALIDER : 20 min conseillées
5. Est-il valable d’utiliser cette expression du décalage Doppler dans ce cas ?
4
6. Comparer les deux valeurs de vitesse obtenues et discuter de leur précision.
7. Qu’est-ce que le « redshift » (terme utilisé dans le titre de cette activité) ? Comment appelle-t-on
l’effet contraire ?
APPEL N°3
Appeler le professeur pour lui présenter vos conclusions
ou en cas de difficulté.
POUR S’ÉVALUER…
A
B
Analyser
coefficient 2
Réaliser
coefficient 2
Valider
coefficient 2 A B C D A B C D A B C D A B C D A B C D A B C D A B C D A B C D
A
B
C
D
A
B
C
D
20 18 16 15 18 17 15 13 16 15 12 11 15 13 11 10 18 17 15 13 17 16 13 12 15 13 11 10 13 12 10 8
Note
C
D
Analyser
coefficient 2
Réaliser
coefficient 2
Valider
coefficient 2 A B C D A B C D A B C D A B C D A B C D A B C D A B C D A B C D
Note
A
B
C
D
A
B
C
D
16 15 12 11 15 13 11 10 12 11 8 7 11 10 7 6 15 13 11 10 13 12 10 8 11 10 7 6 10 8 6 5
5