Age de la Nébuleuse du Crabe

Age de la Nébuleuse du Crabe
Introduction historique
Le 4 juillet 1054, l'astronome chinois Yang Wei-Tê remarqua dans la constellation du
Taureau une étoile aussi brillante que la planète Vénus. Quand le Soleil se leva, l'étoile continua
d'être visible et pourtant ce n'était pas la planète Vénus! Les cartes célestes établies avec
beaucoup de soin par les astronomes de l'empire chinois ne laissaient aucun doute : jusqu'à
présent aucune étoile d'un tel éclat n'avait été observé dans cette direction. Elle resta observable
pendant le jour durant plus de trois semaines, avec un éclat diminuant progressivement ; au bout
de 600 nuits, elle redevint invisible à l'oeil nu. Pour redécouvrir cette étoile, il faudra attendre
l'invention des télescopes et aussi l'intervention du hasard.
En 1731, l'astronome amateur anglais John Bevis observa une ''nébuleuse'' dans la
constellation du Taureau tout en ignorant les anciennes observations chinoises. Cette nébuleuse
fut nommée ''nébuleuse du Crabe'' par Lord Rosse, en 1840, à cause de son aspect. A noter
également que l'astronome français Charles Messier découvrit indépendamment en 1758, la
nébuleuse du Crabe, alors qu'il recherchait des comètes. La nébuleuse du Crabe est répertoriée
comme l'objet Messier 1 dans le catalogue des nébuleuses réalisé par Messier.
Messier 1 fut photograhiée pour la première fois par l'astronome John Duncan à
l'observatoire du Mont Wilson ; à partir de deux clichés pris à 12 ans d'intervalle, J.Duncan
montra en 1921 que la nébuleuse était en expansion. EN 1928, Edwin Hubble estima l'expansion
de la nébuleuse devait avoir débuté environ 900 ans plus tôt et fit le rapprochement avec
l'observation de l'étoile nouvelle notée par les astronomes chinois en 1054.
Activité
1. Observation des documents : leurs différences
La première photo a été prise le 19 janvier 1942, avec un temps de pose de 2.5h, avec le
télescope de 2.5m du Mont Wilson. La seconde a été prise le 27 février 1976 avec une pose de
20mn au télescope de 4m de l'observatoire de Kitt Peak. La troisième photo a été prise le 17
novembre 1999 avec un des 8m du VLT et une pose de 5mn. Sur la deuxième photographie on
remarque que les images des étoiles sont plus larges que sur la première photograhie : ceci est
probablement dû à une turbulence atmosphérique plus grande cette nuit là.
En examinant attentivement ces trois photographies, trouver des indices montrant que la
nébuleuse est effectivement en expansion par rapport aux étoiles lointaines du fond du ciel. On
pourra dans toute la suite effectuer les mesures et tracés décrits ci-après sur les photograhies en
opérant sur un papier calque uni haute transparence superposé sur les photographies.
2. Comparaison des documents.
a. échelle
Etablir l'échelle en seconde d'angle par millimètre de chacune des photos, sachant que les
deux étoiles repérées par des flèches (annexe 1) sont vues par l'observateur terrestre dans deux
directions formant un angle de 446 secondes de degré.
b. repérage des filaments
Repérer l'extrémité brillante d'une douzaine de filaments bien répartis sur la périphérie de
la nébuleuse et identifiables sans ambiguité sur chacune des trois photos. Bien s'assurer que la
même extrémité a été sélectionnée sur les deux photos ; les numéroter (1, 1' et 1'', 2, 2' et 2'', etc.
respectivement sur chaque photo).
3. Repérage du centre de la nébuleuse.
L'étoile repérée par les Chinois en 1054 se trouve à l'intersection des deux droites
définies par les étoiles entourées d'un cercle sur l'annexe 1. Tracer ces deux droites sur chacune
des photos en identifiant soigneusement les étoiles indiquées par des cercless sur l'annexe 1.
Noter que les alignements d'étoiles avec l'étoile centrale recherchée sont tout à fait fortuits et
sont utilisés ici par commodité. On a ainsi identifié sur chaque photo l'étoile centrale.
4. Détermination du déplacement de chaque filament.
Mesurer sur chaque photo la distance (X, X' et X'' pour les photos 1, 2 et 3) de chaque
extrémité repérée au 2 à l'étoile centrale identifiée au 3, en donnant le résultat en mm à 0.1mm
près.
Calculer, après conversion en seconde de degré, X, X',X'' et les différences (X''-X),
(X''-X') et (X'-X) pour chacun des filaments sélectionnés (on pourra rassembler les résultats dans
un tableau)
5. Calcul de la vitesse d'expansion
Quelles sont les durées séparant les trois photos ? On calculera ces durées en années à 0.1
année près. En déduire la vitesse moyenne du mouvement angulaire d'expansion sur le fond du
ciel, en seconde de degré par and pour chacun des points mesurés.
6. Calcul de l'age de la nébuleuse.
En supposant que chaque point ait gardé au cours du temps la meme vitesse que celle
déterminée précédement, calculer la durée écoulée entre la date du début de l'expansion et celle
du second cliché (1976).
Estimer à quelle date a commencé l'expansion de la nébuleuse, en calculant la valeur
moyenne des dates obtenues pour chaque point (et la dispersion correspondante ou écart-type).
Discuter ce résultat en comparaison avec la date 1054. Que peut-on en conclure ?
On trouve typiquement des dates allant de 850 à 1150 ; la moyenne des mesures conduit
à environ 1025 (avec un écart-type de 125 ans environ).
Annexes
Identification du centre de la nébuleuse du Crabe à l'aide des étoiles repères signalées par des
cercles. Ces étoiles permettent de tracer les deux droites dont l'intersection indique la
position de l'étoile observée par les Chinois. Les étoiles repérées par des flèches
permettent d'établir l'échelle des clichés (elles sont séparées de 446 secondes d'arc).
Photograhie du 19 janvier 1942
Photograhie du 27 février 1976.
Photograhie du 17 novembre 1999.