Absorption interstellaire Introduction En 1929, l' astronome Robert J. Trumpler travaillait depuis une dizaine d' années sur les amas ouverts de la Galaxie au Lick Observatory (California) pour en comprendre la distribution spatiale. Les amas ouverts sont des amas d' étoiles jeunes formées il y a quelques dizaines de millions d' années à partir de l' effondrement gravitationnel de gigantesques nuages de gaz du plan Galactique. C' est en comparant les distances de ces amas obtenues par deux méthodes différentes, l'un e basée sur les dimensions apparentes des amas sur le ciel, l' autre basée sur leur luminosité apparente, que Trumpler réalisa que le milieu interstellaire n' était pas vide et contenait de la matière absorbant la lumière. La première méthode consiste à estimer la distance d'un amas en faisant l'hypoth èse que les amas ont tous le même diamètre réel D; ainsi la distance d1 est calculée selon la relation: d1 = D/tan(A) ~ D/A où A est le diamètre apparent angulaire exprimé en radians. Il se trouve que la mesure du diamètre angulaire est très peu affectée par l' absorption interstellaire; la distance d1 est donc approximativement la vraie distance. Suivant la seconde méthode, Trumpler repère quelques étoiles, supposées appartenir à un amas ouvert, et détermine leurs magnitudes apparentes m et leurs types spectraux. De cette information, à l' aide du diagramme de Hertzsprung­Russel, il déduit les magnitudes absolues M de ces étoiles. Pour chaque amas, la relation m – M = 5log(d2) – 5 donne la distance en parsecs. Mais cette relation n' est valable que si les magnitudes apparentes observées ne sont pas affectées par la fameuse absorption interstellaire. En réalité il faut corriger m d'un e valeur Delta_m = E.d où d est la distance vraie traversée par la lumière provenant des étoiles Activité A. Méthodes des diamètres angulaires. On va supposer que l' ensemble des amas ouverts étudiés ont la meme dimension physique, la mesure sur un cliché photographique de leur diamètre angulaire permettra d' en déduire leur distance. 1. Rappeller la relation entre le diamètre angulaire, la distance et la dimension d'un objet 2. Les amas étudiés sont M11, M34, M36, M67, M103 et les Pléiades. Comparer sur les clichés (en annexe) le nombre d' étoiles visibles, la concentration des étoiles vers le centre de l' amas... Quels sont les éléments de ressemblance ? 3. Mesurer le diamètre angulaire pour chacun des 6 amas. On exprimera la valeur du diamètre angulaire en minute d' arc en tenant compte de l'é chelle indiquée sur chacun des clichés. 4. Sachant que le diamètre angulaire de l' amas des Hyades est de 400' alors que sa distance est de 41 parsecs, en déduire la distance des autres amas. B. Méthode du diagramme HR. Pour un type spectral donné (une couleur), une étoile de la séquence principale a une magnitude absolue donnée M, qui est indépendante de l' amas considéré. 1. Superposer le diagramme HR d'un des amas avec celui des Hyades. Faire monter et descendre parallèlement à l' axe des ordonnées l' un des diagrammes de telle sorte que les séquences principales viennent en coincidence. On prendra évidement soin à ce que les axes des abscisses soient toujours correctement alignés. Pour chacun des amas, déterminer le décalage en ordonnée par rapport aux Hyades : (mamas – mHyades) 2. Déterminer la distance de chacun des amas connaissant la distance des Hyades 3. Comparer les distances trouvées par cette méthode avec celles déterminées précédement. C. Mesure de l'absorption interstellaire. On va attribuer les écarts trouvés entre les distances par les deux méthodes à l' absorption interstellaire. 1. Exprimer en terme de magnitude Delta_m, l' écart trouvé entre les distances des deux méthodes. 2. Calculer le Delta_m pour les 6 amas. En déduire une valeur pour l'ab sorption moyenne en kpc. Correction A.1 Relation Diamètre angulaire distance A d1 D diamètre angulaire (minutes d' arc) distance (parsecs) diamètre intrinsèque (parsecs) d1 = D/tan(A) ~ D/A car A (en radians) est petit d1 (pc) ~ [D(pc)/A(') ].[2xpi/(360x60)] A.2 Comparaison des clichés L'a pparence des amas varie beaucoup. Certains sont très compacts, d' autres très éparpillés, d' autres encore sont entourés d' une nébulosité diffuse... Par exemple, comparons M11 et M67: M11 apparaît beaucoup plus concentré, avec un plus grand nombre d' étoiles. On trouve beaucoup plus d'é toiles dans l' environnement de l' amas, avec un fond de ciel très brillant. On pourrait se demander si l' image de M11 n' a pas été faite avec un plus long temps de pose, mais les éclat apparents des étoiles semblent comparables. Il s' agit en fait d'un e différence de direction dans le ciel, M11 étant dans la direction du plan Galactique, où il y a un très grand nombre d' étoiles, alors que M67 se trouve “a u­dessus” du Soleil dans une direction proche de celle du pôle nord Galactique, donc dans une région pauvre en étoiles. A.3 Mesure des diamètres angulaires On admet que dans les amas considérés les étoiles occupent un volume sphérique. La figure 2 contient six amas ouverts dans un même champ (l' échelle de référence en minutes d' arc est donnée sur la photographie) dont l'a mas M36, pour lequel on a une seconde image, extraite des plaques photographiques du Mont Palomar. Un conseil est d'utilis er les amas de la figure 2 pour s' entraîner à mesurer des diamètres angulaires en essayant des cercles de diamètres variés. On peut améliorer la mesure en orientant la photographie selon plusieurs direction (verticalement, horizontalement, en diagonale...) et en faisant la moyenne. On peut aussi faire des comparaisons entre plusieurs groupes d' élèves. On mesure ensuite les diamètres angulaires des 6 amas : Pleiades, M34, M36, M11, M103, M67. Le champ de l'im age des Pleiades est de 120' *120', celui des cinq autres amas est de 60'... Toutes ces images ont bien été prises avec le meme temps de pose. Le diamètre de l' amas des Hyades qui nous sert de référence et que l'on trouve sur le cliché en négatif est de 400 minutes d' arc (~6,7°) A.4 Distance des amas : Pleiades, M34, M36, M11, M103, M67 DHyades = Damas = [dHyadesxAHyades(' )].[(360x60)/(2xpi)] = [damasxAamas(') ].[(360x60)/(2xpi)] ­­> damas = dHyadesxAHyades(') /Aamas(') = (400 x 41)/Aamas(' ) B. 1 Mesure du décalage en magnitude apparente de la séquence principale Remarque: Sur tous les diagrammes apparaît plus ou moins une séquence principale, diagonale qui s' étend des faibles luminosités et types K­M vers les fortes luminosités et types O­B. Sur certains diagrammes (M67, M11), on voit nettement une branche de géantes, témoins d'un état d' évolution des populations stellaires différent par rapport aux autres amas. L'am as M67, en particulier, a le diagramme typique d'un amas globulaire contenant des étoiles évoluées; les autres sont plutôt de type Galactique (ou ouvert) et constitués d'é toiles jeunes. L' amas le plus jeune est celui qui a sa séquence principale la mieux conservée du côté des géantes bleues (en haut à gauche du diagramme); on remarquera que M36 et M103 sont les plus jeunes, avec encore de nombreuses étoiles O­B. En se plaçant à un type spetral donné, ou en procédant par transparence et en faisant coïncider les abscisses du diagrammes des Hyades avec celui de l' amas considéré, on peut comparer la position en magnitude apparente des séquences principale de chaque amas par rapport à celle de l' amas des Hyades. On obtient ainsi pour chaque amas la quantité (mamas – mHyades) B. 2 Mesure de la distance “ photométrique” D' après la relation du module de distance on a: mHyades – M = 5 log(dHyades) – 5 avec dHyades = 41 pc de même: mamas – M = 5 log(damas) – 5 avec damas inconnue exprimée en parsecs (pc) d'où (mamas ­ mHyades) + (mHyades ­M) = (mamas – mHyades) + 5 log(dHyades) – 5 = 5 log(damas) – 5 et damas = dHyades.10 (mamas – mHyades)/5 Amas Diamètre angulaire (en mm) Diamètre angulaire (minutes d' arc Distance d1 m–m(Hyades) Distance d2 Absorption Absorption par kpc Pleiades M11 M34 M36 M67 M103 Annexes Clichés photographiques de l' amas ouverts des Hyades (échelle sur la figure). Clichés photographiques de l' amas ouverts des Pléiades (champ 120'*120' ). Clichés photographiques des amas ouverts M36 M34 M103 M11 M67 (champs 60'*60' ) Diagrammes de Hertzsprung­Russell (HR) des amas ouverts M11, M34, M36, M67, M103, les Hyades et les Pléiades.