Année DU Explorer et Comprendre l Univers Observatoire de Paris. Cours : Ondes et instruments

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1 février 2013 Année DU Explorer et Comprendre l Univers Observatoire de Paris Cours : Ondes et instruments Test de connaissances 1. Quelle est la caractéristique des objets étudiés par les astronomes? Leur extrême éloignement ne permet (quasiment) pas d étude in situ. Seule l analyse des rayonnements électromagnétiques qu ils émettent rend leur étude possible. 2. A quelle vitesse se propagent les ondes électromagnétiques? Les ondes électromagnétiques se propagent à la vitesse de la lumière (voisine de km/s). 3. Définir la longueur d onde, la période, la fréquence et la relation qui lie ces paramètres. La longueur d onde λ est la distance entre deux maxima de l onde électromagnétique. c étant la vitesse de la lumière dans le vide c = λ x ν La période T est la durée d une pulsation T =1 / ν (mesurée en seconde). La fréquence (ν) est le nombre d'oscillations de l onde électromagnétique par seconde, elle est mesurée en Hertz. 4. Calculer la fréquence correspondant à une longueur d onde de 600 nm c = λ x ν = 3x10 8 = 600 x 10-9 x ν => ν = / = 5*10 14 Hertz (attention λ et ν doivent être exprimés dans la même unité, ici par exemple en m) 5. Citer les différents domaines du spectre électromagnétique, faire un schéma en indiquant les longueurs d onde correspondantes gamma RX UV 400 nm Visible 750nm 10-4 IR 10-7 Radio Préciser les domaines de longueurs d onde qui nécessitent des observations par satellite. Expliquer pourquoi. En raison de la présence de l atmosphère terrestre qui absorbe certaines longueurs d onde, seules des observations par satellite permettent de détecter les domaines gamma, X, UV et infrarouge (certaines fenêtres dans l infrarouge peuvent être détectées depuis le sol).

2 7. Préciser les domaines de longueur d onde accessibles depuis le sol Le domaine visible, l infrarouge proche et la radio ne sont pas absorbés par l atmosphère elles sont donc accessibles depuis le sol. 8. Expliquer l intérêt d observer le même objet à des longueurs d onde différentes Un même objet émet généralement dans un spectre étendu de longueurs d ondes. Chacun des composants ou régions de l objet observé émet à différentes longueurs d onde, l observer à différentes longueurs d onde permet donc d explorer ses composants et ses différentes zones. 9. Préciser quels sont les objets qui émettent le plus dans chaque domaine de longueur d onde Les objets présentant des phénomènes physiques violents émettent principalement dans le domaine gamma et X (étoiles à neutron). Les étoiles jeunes émettent principalement dans le domaine UV, les étoiles d âge moyen dans le domaine visible, les poussières dans l IR, les nuages moléculaires dans le millimétrique et le gaz neutre des galaxies dans le domaine radio à 21cm. 10. Donner la définition du corps noir En physique, un corps noir désigne un objet idéal dont le spectre électromagnétique ne dépend que de sa température. En pratique, un tel objet matériel n'existe pas, mais il représente un cas idéalisé servant de référence pour les physiciens. Contrairement à ce que son nom suggère, un corps noir n'apparaît pas forcément noir. En effet l'adjectif «noir» signifie ici que l'objet lui-même absorbe toute la lumière extérieure qui tomberait sur lui, et ne reflète aucune radiation. La seule radiation provenant du corps noir est la radiation thermique, ne dépendant que de la température. 11. Que décrit la loi de Planck? La loi de Planck décrit la répartition de l'énergie électromagnétique rayonnée par un corps noir à une température donnée, en fonction de la longueur d'onde. 12. Dans quel domaine de longueur d onde un corps à une température de 5000 K émetil son maximum d intensité? Dans le domaine visible. 13. Dans quel domaine un corps à température beaucoup plus basse émet-il son maximum? Dans le domaine infrarouge ou radio. 14. Même question pour un corps à température beaucoup plus élevée. Dans le domaine ultraviolet et X. 15. Donner les lois de Kirchhoff. 1- Un gaz à pression élevée, un liquide ou un solide, s'ils sont chauffés, émettent un rayonnement continu qui contient toutes les couleurs appelé spectre continu. 2- Un gaz chaud, à basse pression, émet un rayonnement uniquement pour certaines couleurs bien spécifiques : le spectre de ce gaz présente des raies d'émission.

3 3- Un gaz froid, à basse pression, éclairé par une source de rayonnement continu, absorbe certaines couleurs, produisant ainsi dans le spectre des raies d'absorption. Ce gaz absorbe les mêmes couleurs qu'il émettrait s'il était chaud. 16. Décrire le modèle de Bohr pour l atome d hydrogène. L atome d hydrogène possède un noyau composé d un proton et un électron qui selon ce modèle orbite autour du noyau sur certains niveaux permis d énergie. Le niveau le plus bas correspond à l énergie la plus basse. Si l électron reçoit une énergie correspondant exactement à la différence entre deux niveaux permis il se déplacer sur une couche plus élevée, il retombe ensuite à son état fondamental en émettant une énergie sous forme de photon. 17. Donner la relation entre l énergie d un photon et la fréquence de l onde correspondante. E = h x ν E (en joules - ν en Hertz h constante de Planck 18. Expliquer pourquoi les spectres des objets astronomiques peuvent présenter dans certains cas à la fois un spectre continu, des raies d absorption et des raies d émissions. Le spectre optique d un objet est la somme des différentes contributions de ses composantes, c est la raison pour laquelle il présente à la fois un spectre continu (dépendant de sa température), des raies d absorption si le rayonnement traverse un gaz plus froid et peu dense (enveloppe stellaire par exemple) et des raies d émission en cas de présence de zones à très haute température (gaz ionisé par exemple). 19. Quels sont les paramètres physiques qui peuvent être mesurés à partir du spectre d un objet? La température de différentes zones de l objet. La composition chimique de l objet L abondance des différents éléments La rotation de l objet Sa vitesse par rapport à l observateur. 20. Comment mesure-t-on la vitesse de rotation d une galaxie? La vitesse de rotation d une galaxie se détermine à partir de la largeur de la raie 21 cm de l hydrogène neutre ou d autres raies d émission dans le domaine optique. 21. Qu observe-t-on dans le spectre d un objet qui s éloigne de nous? Qui s approche? Un objet qui s éloigne de nous présente dans son spectre des raies (en émission ou en absorption) décalées vers le rouge, s il se rapproche de nous ses raies sont décalées vers le bleu. On peut donc à l aide du spectre mesurer la valeur du décalage spectral. 22. Donner la formule de l effet Doppler. z = Δλ / λ = V / c z décalage Doppler de la raie, Δλ est le décalage entre la raie observée et la raie au repos considérée, λ longueur d onde de la raie correspondante au repos, V vitesse de l objet, c vitesse de la lumière.

4 23. Donner la loi de Hubble. La vitesse d éloignement d un objet est proportionnelle à sa distance. V = H x D V vitesse de l objet, H constante de Hubble, D Distance de l objet 24. Quelle est la taille des plus grands télescopes actuels? Les 2 KECK de 10 mètres de diamètre chacun Les 4 VLT de 8 mètres de diamètre chacun 25. Pourquoi utiliser des télescopes de plus en plus grands? Ils permettent d observer des objets de plus en plus faibles avec des résolutions spatiales de plus en plus grandes. 26. A quoi servent les petits télescopes? Ils sont utilisés pour mener des campagnes d observations systématiques sur de grandes zones du ciel ou permettent de consacrer de nombreuses heures d observation pour la recherche d objets particuliers comme les exoplanètes. 27. Citer une découverte majeure avec le 1.93m de l OHP. La première exoplanète a été détectée en 1995 par l équipe de M. Mayor et D. Queloz avec le 1,93 mètre de l OHP équipé du spectromètre ELODIE. 28. Expliquer quelles mesures ont permis cette découverte. La rotation de la planète invisible autour de l étoile induit une variation de la position de l étoile dont la vitesse varie en fonction de la position de la planète. La mesure de la variation au cours du temps du décalage spectral des raies du spectre de l étoile permet de calculer la période de révolution de la planète autour de son étoile. 29. A quoi servent les télescopes de 4m depuis l arrivée des 8-10m? Ces télescopes sont maintenant dédiés à des grands relevés. Ils établissent des catalogues d objets faibles (astéroïdes, étoiles, galaxies etc ) dans différents filtres afin que des études complémentaires à différentes longueurs d ondes de ces objets puissent être réalisées avec des télescopes de plus grande taille. 30. Quel est le principal intérêt du télescope de Schmidt? Ce télescope est caractérisé par un miroir primaire sphérique qui permet d observer un champ plus grand, de l ordre de 6 degrés carrés alors qu avec des miroirs habituels le champ est de l ordre de quelques minutes d arc. Cette particularité fait que les télescopes de Schmidt ont principalement été utilisés pour cartographier l ensemble du ciel. 31. Quel moyen est utilisé pour annuler les aberrations dues au miroir sphérique? Une lame de verre correctrice est placée à l intérieur du télescope afin de compenser les déformations de l image. 32. A quoi sert l optique adaptative? L optique adaptative permet de corriger les effets de la turbulence atmosphérique.

5 33. Donner une définition de la résolution spatiale. Le pouvoir de résolution d'un système optique désigne sa capacité à distinguer des détails fins. Il est défini comme la distance angulaire minimale entre deux éléments d'un objet qui permet d'en obtenir deux images séparées ; on dit alors que l'objet est résolu. 34. Donner la définition de la résolution spectrale. Le pouvoir de résolution spectrale mesure la capacité à distinguer deux raies spectrales proches aux longueurs d'onde λ et λ +Δλ. Il est mesuré par la quantité : R = λ / Δλ Le pouvoir de résolution est d'autant plus élevé que l'élément de résolution Δλ est petit. 35. A quoi sert la spectrographie multi-objets? La spectroscopie multi objets permet d obtenir simultanément le spectre d un grand nombre d objets dans un même champ. Il est possible d observer plusieurs centaines d objets ce qui permet un gain de temps considérable par rapport à l époque où les spectrographes n observaient qu un objet à la fois. Ainsi l étude d objets composés de nombreux éléments comme les amas globulaires ou les amas de galaxies a beaucoup progressé. 36. A quoi sert l interférométrie? L interférométrie permet d accroître le pouvoir de résolution spatiale d un seul télescope en combinant les images obtenues par plusieurs télescopes associés. L'interférométrie est utilisée en astronomie aussi bien avec des télescopes optiques qu'avec des radiotélescopes. Son avantage est de permettre une résolution équivalente à celle d'un miroir (ou radiotélescope) de diamètre équivalent à l'écart entre les instruments combinés. 37. Quels sont les avantages et les inconvénients des observations spatiales par rapport aux observations sol? Avantages : pas de turbulence atmosphérique observation de toutes les longueurs d ondes (de gamma à radio). Inconvénients : Petits télescopes, durée limitée des mission, pas de réparation possible (sauf Hubble). 38. Quels nouveaux phénomènes ont été mis en évidence par les observations X? Détection de gaz chaud dans lesquels baignent les amas de galaxies Noyaux actifs de galaxies, trous noirs. 39. A quoi servent les radiotélescopes? Les radiotélescopes permettent de révéler des objets ou des composants de certains objets invisibles à d autres longueurs d ondes. Ils permettent surtout d observer le composant le plus répandu dans l univers : l hydrogène neutre qui émet à la longueur d onde de 21 cm. L'astronomie millimétrique permet d'observer les molécules complexes présentes dans le milieu interstellaire. 40. Décrire le projet SKA.

6 Le projet SKA est un radiotélescope géant qui couvrira un kilomètre carré comme l indique son nom (Square Kilometer Array). 41. Quels sont les projets de grands télescopes optiques au sol? Projet E-ELT (European Extremely Large Telescope): miroirs primaires de 30 à 100 mètres de diamètre. TMT 30m de diamètre GMT: Giant Magellan Telescope, 24.5m 42. Citer cinq grands thèmes dans lesquels les futurs instruments permettront de progresser. 1. Affiner la mesure des paramètres fondamentaux de l univers 2. Détecter les premières étoiles de l univers 3. Comprendre la formation des galaxies et leur évolution. 4. Identifier la nature de la matière noire et de l énergie noire 5. Etudier les exoplanètes.

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