Quelle est la source d`énergie des étoiles

http://lisa1.lisa.univ-paris12.fr/ASTROP12/
Structure de
l’univers –
Les Etoiles
Les différentes unités de distance utilisées en astronomie
●
●
1. Le mètre (m)
2. L’unité astronomique (UA)
Distance moyenne Terre-Soleil
●
3. L’année – lumière (al)
●
4. Le parsec (pc)
Distance parcourue par la lumière en une année
c = 299 792 458 m.s-1
●
1 UA = 1,496 1011 m
= 149,6 millions de km
●
1 al
= 9,461 1015 m = 63 240 UA
= 9461 milliards de km
●
1 pc
= 3,086 1016 m = 206 254 UA = 3,26 al
= 30 860 milliards de km
Echelle : 1 x 10 -1 m / 6.7 x 10 -13 UA / 1.1 x 10
-17
al
10 cm
Abeille
● Taille de l’image
10 cm x 10 cm
● Taille du carré central
1 cm x 1 cm
Echelle : 1 x 10 0 m / 6.7 x 10 -12 UA / 1.1 x 10
-16
al
1 m
Nénuphars
● Taille de l’image
1 m X 1m
● Taille du carré central
10 cm x 10 cm
Echelle : 1 x 10 +1 m / 6.7 x 10 -11 UA / 1.1 x 10 -15 al
10 m
Jardin public
● Taille de l’image
10 m X 10 m
● Taille du carré central
1mx1m
Echelle : 1 x 10 +2 m / 6.7 x 10
-10
UA / 1.1 x 10
-14
al
100 m
Jardin public
● Terrain de foot ~ 70 x 100 m
● Taille des plus grandes espèces
vivantes
Echelle : 1 x 10 +3 m / 6.7 x 10
-9
UA / 1.1 x 10
-13
al
1 km
Parc
● Altitude de 2 km
● Buttes-Chaumont =
0,6 km x 0,7 km
● Champ de Mars =
0,2 km x 0,9 km
● Parc de la Villette =
0,5 km x 0,9 km
Echelle : 1 x 10 +4 m / 6.7 x 10
-8
UA / 1.1 x 10
-12
al
10 km
San Fransisco
● Altitude de 20 km
● Porte de Bercy – Paris 12 = 10
km
● Paris intra-muros ~ 10 km x 12
km
Echelle : 1 x 10 +5 m / 6.7 x 10
-7
UA / 1.1 x 10
-11
al
100 km
Baie de San Francisco
● Altitude de 200 km
● Paris – Compiègne = 80 km
● Paris – Chartres = 90 km
Echelle : 1 x 10 +6 m / 6.7 x 10
-6
UA / 1.1 x 10
-10
al
1000 km
Californie
● Altitude de 2000 km
● Paris – Bruxelles = 300 km
● Paris – Genève = 540 km
● Paris – Barcelone = 1070 km
Echelle : 1 x 10 +7 m / 6.7 x 10
-5
UA / 1.1 x 10
-9
al
10 000 km
Amérique du Nord
et Amérique centrale
● Altitude de 20 000 km
● Rayon équatorial de la Terre =
6378 km
● courbure de la Terre
Echelle : 1 x 10 +8 m / 6.7 x 10
-4
UA / 1.1 x 10
-8
al
100 000 km
Terre
● Altitude de 200 000 km
● Orbite géostationnaire
= 36 000 km
● Distance Terre – Lune
= 384 400 km
● Rayon de la Lune
= 1738 km
Echelle : 1 x 10 +9 m / 6.7 x 10
-3
UA / 1.1 x 10
-7
al
1 millions de km
La Terre et la Lune
● Rayon équatorial de la Terre =
6378 km
● Distance Terre – Lune = 384
400 km
● Distance Terre – Soleil = 149,6
millions de km
= 1 UA
Echelle : 1 x 10 +10 m / 6.7 x 10 -2 UA / 1.1 x 10
-6
al
10 millions de km
4 Jours....
● La Terre met 4 jours pour
parcourir cette portion de son
orbite autour du Soleil
● Rayon du Soleil = 696 000 km
~ 1,5 le carré central
● Distance Terre – Soleil = 149,6
millions de km
= 1 UA
Echelle : 1 x 10 +11 m / 6.7 x 10 -1 UA / 1.1 x 10 -5 al
0,67 UA
Vénus, Terre et Mars
● La Terre met 6 semaines pour
parcourir cette portion de son orbite
autour du Soleil
● Distance Vénus–Soleil ~0,72 UA
● Distance Terre–Soleil ~1 UA
● Distance Mars-Soleil ~1,52 UA
● Voyage Terre → Mars ~ 6 mois
Echelle : 1 x 10 +12 m / 6.7 x 10 0 UA / 1.1 x 10
-4
al
6,7 UA
Orbite de Jupiter
● Distance Terre – Soleil ~ 1 UA
● Distance Mars - Soleil ~ 1,52
UA
● Distance Jupiter – Soleil ~
5,20 UA
Echelle : 1 x 10 +13 m / 6.7 x 10 +1 UA / 1.1 x 10 -3 al
67 UA
Le Système Solaire
● Distance Terre – Soleil ~ 1 UA
● Distance Mars - Soleil ~ 1,52
UA
● Distance Jupiter – Soleil ~
5,20 UA
● Distance Neptune – Soleil ~
30,1 UA
● Uniquement 4 sondes spatiales
(Pionner 10 et 11, et Voyager 1
et 2) ont dépassé l’orbite de
Neptune
● Ceinture de Kuiper ~ 30 – 50
UA
Echelle : 1 x 10 +14 m / 6.7 x 10 +2 UA / 1.1 x 10 -2 al
670 UA = 0,011 al
Le système Solaire
● La lumière met plus de 3 jours
pour traverser cette lumière
● Ceinture de Kuiper = 30 – 50
UA
Echelle : 1 x 10 +15 m / 6.7 x 10 +3 UA / 1.1 x 10 -1 al
6 700 UA = 0,11 al
Le Système Solaire
● La lumière met plus de 1 mois
pour traverser cette lumière
● Nuage de Oort de 10 000 à
150 000 UA
Echelle : 1 x 10 +16 m / 6.7 x 10 +4 UA / 1.1 x 10 0 al
67 000 UA = 1,1 al
L’espace interstellaire
● Nuage de Oort de 10 000 à
150 000 UA
● Etoile la plus proche (Proxima
du Centaure) = 270 000 UA =
4,23 al
● Vide !!!
Echelle : 1 x 10 +17 m / 6.7 x 10 +5 UA / 1.1 x 10 +1 al
11 al
Les étoiles les plus
proches
● Etoile la plus proche (Proxima
du Centaure) = 270 000 UA =
4,23 al
● Seulement 11 étoiles à moins
de 5 UA du Soleil
Echelle : 1 x 10 +18 m / 6.7 x 10 +6 UA / 1.1 x 10 +2 al
110 al
Etoiles à moins de 50 UA
● Environ 1000 étoiles à cette
distance
Echelle : 1 x 10 +19 m / 6.7 x 10 +7 UA / 1.1 x 10 +3 al
1 100 al
A l’intérieur du disque
galactique
● Epaisseur du disque de notre
galaxie à la position du Soleil ~
3 000 al
● Distance Soleil – centre de la
galaxie ~ 30 000 al
Echelle : 1 x 10 +20 m / 6.7 x 10 +8 UA / 1.1 x 10 +4 al
11 000 al
Bras spiral de la galaxie
● Hors de la galaxie
● Épaisseur du disque de notre
galaxie à la position du Soleil ~
3 000 al
● Distance du Soleil au centre de
la galaxie = 30 000 al
Echelle : 1 x 10 +21 m / 6.7 x 10 +9 UA / 1.1 x 10 +5 al
110 000 al
La Voie Lactée
● Diamètre de la Voie Lactée ~
100 000 al
● Distance du Soleil au centre de
la galaxie ~ 30 000 al
● Période orbitale du Soleil
autour du centre galactique ~ 300
millions d’années B ~ 15 orbites
depuis sa naissance (4,5
milliards d’années)
Echelle : 1 x 10 +22 m / 6.7 x 10 +10 UA / 1.1 x 10 +6 al
1,1 millions d’al
Le groupe local
● La Voie Lactée est entourée de
plusieurs petites galaxies
satellites
● Grand nuage de Magellan situé
à 180 000 al
● Petit nuage de Magellan situé à
210 000 al
Echelle : 1 x 10 +23 m / 6.7 x 10 +11 UA / 1.1 x 10 +7 al
11 millions d’al
L’amas de la Vierge
● Les galaxies se rassemblent en
amas,..
● Galaxie d’Andromède située à
2,36 millions d’al.
● Diamètre du groupe local ~ 10
millions d’al.
Echelle : 1 x 10 +24 m / 6.7 x 10 +12 UA / 1.1 x 10 +8 al
110 millions d’al
Super-amas de galaxies
● Les galaxies se rassemblent en
amas et les amas en superamas…
Les étoiles
Généralités
Classification spectrale (les différents types d’étoiles)
Source d’énergie des étoiles
Vie et Mort des étoiles
Le Soleil : une étoile parmi tant d’autres…
Corps le plus volumineux du
Système Solaire. 98% de sa
masse totale.
Il faudrait cent neuf Terres pour
réaliser le diamètre du Soleil et
plus de 1.3 millions de Terres
pour en combler l'intérieur.
La partie extérieure visible du
Soleil se nomme photosphère et sa
température est de 6 000°C
Les étoiles proches
Etoiles les plus proches :
Š Proxima du centaure : 4,22 a.l
42 200 000 000 000 km
Š α & β du centaure : 4,40 a.l.
Autres étoiles proches :
Š Sirius : 8,6 al
Š Véga 25,3 al
Š Bételgeuse : 600 al
Diamètre étoile :
Š Soleil : 4 secondes lumière
(1 400 000 km)
Š Jusqu’à 20 minutes lumière
(360 000 000 km)
α du centaure
Distance entre les étoiles >> Diamètre des étoiles
=> Aucune collision entre étoiles
Les constellations
Déf : Une constellation est un ensemble d‘étoiles dont les projections sur la
voûte céleste sont proches.
● Dans l’espace à 3 dimensions, les différentes étoiles peuvent être très éloignées les
une des autres.
● Actuellement, l’ UAI (Union Astronomique Internationale) divise le ciel en 88
constellations officielles avec des frontières précises.
Un Exemple : La constellation de Orion
Gravure de Johannes Hevelius tirée de
‘Uranographia’, atlas céleste publié en 1690
Bételgeuse
Distance = 600 a.l.
Rayon = 630 rayons solaires
Masse = 14 masses solaires
Š Des distances différentes
Š Des couleurs différentes
Š Des tailles différentes
Š Des masses différentes
Rigel
Distance 800 a.l.
Rayon = 80 rayons solaires
Masse = 20 masses solaires
Les spectres des différentes étoiles
O
Bleue
B
Bleue-Blanche
A
Blanche
F
Jaune-Blanche
G
Jaune (Soleil)
K
Jaune-Orange
M
Rouge
Classification des étoiles
La classification spectrale des étoiles
Annie Jump Cannon (1863-1941)
Après des études au fameux Wellesley
College, elle travaille au Harvard College
Observatory en classant inlassablemmnt
des spectres stellaires.
Classification de 400 000 étoiles par
rapport à l’importance des raies de
certains éléments comme H, He, Fe..
Oh, Be A Fine Girl Kiss Me
Les spectres des différentes étoiles
Classe
Température
Couleur
Raies d'absorption
O
B
A
F
G
K
M
60 000 - 30 000 K
30 000 - 10 000 K
10 000 - 7 500 K
7 500 - 6 000 K
6 000 - 5 000 K
5 000 - 3 500 K
3 500 - 2 000 K
Bleue
Bleue-Blanche
Blanche
Jaune-Blanche
Jaune (Soleil)
Jaune-Orange
Rouge
N, C, He et O
He et H
H
Métaux : Fe, Ti, Ca, et Mg
Ca, He, H et métaux
Métaux et oxyde de titane
Métaux et oxyde de titane
Š Moyen mnémotechnique :
Oh, Be A Fine Girl Kiss Me
Le diagramme de Hertzsprung-Russel :
En 1911, l’ingénieur et astronome
danois Ejnar
Hertzprung (1873-1967) traçait un
diagramme magnitude en
fonction du type spectrale d’un
échantillon d’étoiles.
Plus tard, l’astronome américain
Henry Russel (1877-1957)
construisit indépendamment le même
diagramme avec un autre échantillon
d’étoile.
Ce diagramme s’appelle aujourd’hui
le diagramme HR et met évidence la
relation entre le type spectrale et la
magnitude absolue
90 % des étoiles sont sur la
séquence principale
Le diagramme HR :
Observation du satellite Hipparcos
Les familles d’étoiles : Séquence principale (90 % des étoiles)
Quelle est la source d’énergie des étoiles ?
A la fin du XIXéme et au début du XXéme siècle, la source d’énergie des
étoiles n’était pas connue.
La combustion :
Š La combustion de 1 kg de charbon permet de dégager une énergie de 3.5 107 J/kg.
Š Un tas de charbon de 2.1030 kg (masse du soleil) peut fournir 7.1037 J.
Š Le Soleil rayonne une énergie de 3.8.1026 J/s.
B ce qui correspond à une durée de vie de …………..6000 ans !!
B La combustion ne peut pas être la source d’énergie du Soleil
La contraction gravitationnelle :
Š La gravitation permet l’augmentation de la température au cœur des étoiles.
Š Température au cœur du Soleil = 14 millions de K
B Cette température permet de déclencher les réactions nucléaires.
Quelle est la source d’énergie des étoiles ?
Durant la séquence principale (période de stabilité),
l'étoile est en équilibre hydrostatique,
elle subit deux forces qui s'opposent et la maintiennent en équilibre :
• 1.) Réactions thermonucléaires B pression radiative B augmentation de
volume B diminution de la température
• 2.) Force de gravité B diminution du volume B augmentation de la
température
La configuration stable d’une étoile correspond à un point sur la séquence principale du
diagramme HR. Les étoiles de masse différentes occupent différents points sur ce
diagramme.
Il existe donc une séquence principale car les étoiles s’y stabilisent avec la même
composition chimique mais avec différentes masses.
Si les étoiles quittent la séquence principale, c’est que leur composition chimique a
changé !!!!!
Quelle est la source d’énergie des étoiles ?
Composition des étoiles:
90 % d’ hydrogène
9 % d’hélium
1 % d’éléments lourds
Réactions nucléaires de
fusion de l’hydrogène
Quelle est la source d’énergie des étoiles ?
Š Bilan de la réaction en chaîne :
411H→42 He+2e+ +2ν e+2γ
Š Bilan massique de la réaction de fusion de l’hydrogène :
4.M (H) > M (He) + 2.M(e+) + 2.M(νe)
Les produits (He,…) de la réactions sont plus légers que les réactifs (H)
Š Bilan énergétique de la réaction de fusion de l’hydrogène :
Š Équivalence masse / énergie
Š
B E = mc2
(Albert EINSTEIN,
Š La perte de masse entraîne un dégagement d’énergie
1905)
La durée de vie des étoiles
Combien de temps dure le carburant d’une étoile ?
Durée de vie = énergie disponible / énergie perdue = Masse / Luminosité
Une étoile 25 fois plus lourde que le soleil est 80000 fois plus lumineuse. Elle aura une
durée de vie 3000 fois plus courte.
l'âge est indiqué en milliard d'années, exprimé via son logarithme).
Mort des étoiles : Supernovae, éjection explosive des étoiles massives
Nébuleuse du crabe,
reste d’une supernovae
(M1) qui mesure 10
années lumières.
L’explosion a eu lieu
en 1054.
La fréquence des supernovae
Observation de
Tycho-Brahe en
1572
Observation de
Kepler en 1572
Dans notre galaxie :
La dernière supernova vu dans notre galaxie a eu lieu en 1604 et a été observé sans télescope par
Kepler. D’autres supernovae ont été observé en 1572, 1054 et 1006.
La fréquence serait donc de 4 visible à l’œil nu en 1000 ans. D’autres se produisent
probablement mais ne sont pas observées à cause de l’obscurcissement du milieu interstellaire
concentré dans le plan de la galaxie.
Dans les autres galaxies :
On compte une supernovae tous les 25 à 50 ans dans les autres galaxies. Plusieurs supernovae
sont détectées par les astronomes chaque année (249 en 2004).
Supernova 1987A
400 ans d’attente et enfin une supernova brillante. Elle a eu lieu dans une galaxie voisine, le
grand nuage de Magellan le 24 Février 1987.
Observation des supernovae dans les autres galaxies
SN 1998aq
SN 2001cm
SN 1998bu
Observation de la supernova 1987A
L’étoile qui a explosé était catalogué : une super géante bleue de classe spectrale B et de masse 20 M~,
elle a aujourd’hui disparu.
après
avant
Evolution des étoiles :