Rayonnements dans l`univers: absorption et détection
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Rayonnements dans l'univers: absorption et détection S'A RAV CO Info Résol Supp Lire et comprendre un document écrit (texte, graphique, tableau, spectre, signaux de capteurs…). Formuler une ou plusieurs hypothèses pertinentes. Utiliser les outils informatiques et numériques : enregistrements sonore et vidéo, conception d’un poster ou d’un diaporama. I) Atmosphère et rayonnements dans l'Univers. Par quels moyens nous parviennent les informations qui nous font connaître l'Univers? La Terre reçoit de toutes les directions de l'espace des rayonnements électromagnétiques ainsi qu'une pluie de particules qui constitue le rayonnement cosmique. Si ce flot ininterrompu n'était pas en grande partie arrêté par l'atmosphère, ses effets destructeurs interdiraient toute vie. Ces rayonnements et ces particules sont les seuls supports des informations qui nous parviennent de l'Univers (distances, vitesses, constitution des étoiles ou des autres objets célestes). Dans la deuxième moitié du XX° siècle, l'invention du radiotélescope, sur le modèle du radar, puis la possibilité d'envoyer des télescopes spatiaux au-delà des couches denses de l'atmosphère, ont permis aux astronomes d'exploiter beaucoup plus largement le domaine des ondes électromagnétiques. 1) Que représente la grandeur portée en ordonnée sur la figure ci-dessus? Préciser notamment la signification 0 % et 100 % pour les points ayant cette ordonnée. 2) Quelle grandeur est représentée en abscisse? Expliquer comment est construite l'échelle utilisée. 3) Nommer les domaines de rayonnement électromagnétiques représentés par les lettres A, B, C et D. 4) Quel est le lien entre les illustrations (instruments d'observation) et leur position sur la représentation graphique? 5) Donner les domaines de longueur d'onde des rayonnements électromagnétiques en provenance de l'Univers qui peuvent être étudiés directement avec des instruments au sol. Nommer ces instruments. 6) Préciser à quels domaines des ondes électromagnétiques ces rayonnements appartiennent. II) Les sources de rayonnement. Tous les objets célestes peuvent révéler leurs propriétés grâce aux rayonnements qu'ils émettent. Quelles sont les sources de ces rayonnements? Les quatre clichés ci-dessous sont des photographies de la galaxie d'Andromède prises par différents télescopes dans des domaines de longueur d'onde variés: Domaine visible 1) Quelles zones, dont les détails sont masqués en lumière visible, apparaissent clairement sur les clichés dans les autres domaines de longueur d'onde? 2) Le rayonnement UV est associé à des zones très chaudes. Où se trouvent ces régions dans la galaxie d'Andromède? Lorsque les astronomes étudient un objet céleste inconnu, ils n'observent pas nécessairement une photographie prise par un télescope mais plutôt des graphiques représentant l'intensité du rayonnement électromagnétique émis en fonction de la longueur d'onde. Ce type de graphique est appelé "courbe d'intensité spectrale" ou plus simplement "spectre" comme le montre la fig 1. Fig 1: Spectre d'un objet céleste L'étude de ces spectres permet aux astronomes de repérer la présence des différentes sources de rayonnements issus de cet astre. En effet, les spectres des phénomènes physiques se produisant couramment dans les astres ont des allures reconnaissables: Une courbe en forme de pic est généralement causée par un rayonnement d'origine thermique. Les particules constituant l'astre s'agitent lorsque la température augmente et libèrent de l'énergie sous forme de rayonnement. Plus la température est élevée, plus les longueurs d'onde associées à ce rayonnement sont courtes. Cette courbe est habituellement causée par un rayonnement dit "de freinage". Il est produit lors d'interactions entre des électrons et des ions présents dans les nuages de gaz. Plus la densité en ions du nuage est élevée, plus les longueurs d'onde associées à ce rayonnement sont courtes. Une courbe décroissante est causée par un rayonnement synchrotron. Il se produit lorsque des électrons se déplaçant à grande vitesse rencontrent un fort champ magnétique. Plus la vitesse des électrons et l'intensité du champ magnétique sont élevées, plus les longueurs d'onde associées à ce rayonnement sont grandes. 3) Associer aux zones du spectre de l'objet, numérotées de à un des noms suivants: Visible, infrarouge, ultraviolet, radio, X. 4) Cet objet, s'il est suffisamment grossi, pourra-t-il être observé par l'œil humain (justifier)? 5) Identifier les sources de rayonnement qui apparaissent dans les portions de courbe (a), (c) et (d). 6) Déduire trois propriétés physiques de l'objet étudié. 7) L'objet étudié est une supernova. En effectuant une recherche, éventuellement sur internet, montrer que cette appellation est cohérente avec les trois propriétés précédentes. III) Rayonnement et énergie Animation proposée par Météo France: http://education.meteofrance.com/jsp/site/Portal.jsp?page_id=15663&document_id=26633&portlet_id=8732 1 1) Barre dans le four: Quelle est la couleur de la lumière la plus émise par la barre vers 700°C? Qu'en est-il vers 1000°C? Conclure quant à la corrélation entre la température du corps et la longueur d'onde de la radiation correspondant au maximum d'émission. 2) Photographies en infrarouge: Ces photographies sont en fausses couleurs. Une zone colorée en rouge est elle plus chaude ou moins chaude qu'une zone en bleu? 3) Comparaison Terre et Soleil Dans quels domaines de radiations (Radio, micro-ondes, IR, visible, UV, X ou ) se situent les maximums d'émission pour la Terre et pour le Soleil? Que dire des énergies dégagées? 4) Le corps noir Sous quelle forme est convertie l'énergie radiative reçue par un corps supposé noir? Dans quel domaine de radiation un corps noir émet il à température ambiante? Quelles sont les deux lois qui découlent de la loi de Planck? A partir de quelle température l'émission d'un corps noir possède-t-elle un maximum d'intensité dans le domaine du visible? 5) Absorption des photons Quel(s) effet(s) peu(ven)t avoir l'absorption d'un photon sur une molécule? a) A l'échelle microscopique b) A l'échelle macroscopique 6) Pourquoi les feuilles sont elles vertes? A quoi sert une partie de l'énergie absorbée? IV) Détecteurs de rayonnements Classer les détecteurs suivants dans l'ordre croissant de la fréquence de l'onde détectée: 20 p 27 24 – 26 p 28
