Pulsars et gravitation

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1 Pulsars et gravitation Le grand radiotélescope de Nancay Livret pédagogique

2 Sommaire livret Présentation 3 Les auteurs 4 Sommaire partie DVD 6 Sommaire partie cédérom 7 Activités L âge de la nébuleuse du Crabe 8 Ralentissement et âge du pulsar du Crabe 10 Mesure de dispersion et distance du pulsar du Crabe 12 La distance des amas d étoiles et la découverte de l absorption interstellaire 14 L analyse des temps d arrivée des impulsions des pulsars 16 Pulsar binaire et masse d une étoile à neutrons 18 Effet Shapiro et masse du Soleil 20 Principe optique des miroirs du grand radiotélescope 22 Les ondes électromagnétiques 24 Expériences : écouter le pulsar 25 Expériences : pulsars, ondes radio, principe d un radiotélescope 26 Questionnaires 28 La bande originale des films 29 SCÉRÉN-CRDP du Centre - académie d Orléans-Tours, 2006 Directeur de publication Edition Mise en page Dominique Raulin Daniel Gazeau Corinne Rodriguez

3 Présentation Inauguré en mai 1965 par le Général de Gaulle, le grand radiotélescope de Nançay a fêté en 2005 ses 40 ans de fonctionnement. Cet anniversaire coïncidant avec l Année Mondiale de la Physique nous avons proposé pour cette double occasion un projet pédagogique autour de l instrument et d un de ses plus importants sujets d observation : l étude des pulsars et ses applications en Physique Fondamentale. Le Grand Radiotélescope de Nançay (NRT), installé en Sologne, est un instrument à vocation scientifique internationale. Sa dernière rénovation date de l année 2000 ; elle a été possible grâce à un co-financement de l Observatoire de Paris, du CNRS et de la Région Centre et a permis ainsi à l instrument de conserver sa place au niveau mondial. L étude des pulsars a, quant à elle, donné lieu à un grand nombre de découvertes (deux prix Nobel) et constitue un des domaines de prédilection pour tester les théories de la gravitation. Les pulsars sont observés régulièrement à Nançay depuis 1988, et en constituent une des activités de pointe pour l avenir du radiotélescope. Outre le présent livret, cet ensemble multimédia est présenté sur deux supports : un DVD qui contient un ensemble de films (documentaire, conférence filmée, interviews...) et un cédérom qui comprend des données de radioastronomie et des documents pédagogiques destinés à être exploités en classe avec des élèves. Sur la partie cédérom, on trouve aussi une visite virtuelle du grand radiotélescope de Nançay, ainsi que la bande originale des films, mélange de signaux de pulsars purements électroniques et de sonorités d instruments acoustiques. Même si par de multiples aspects, en particulier le contenu des différents films, l ensemble s apparente à un produit grand public, il vise principalement un public scolaire, du niveau collège jusqu au premier cycle universitaire. Il est conçu pour une utilisation en classe, sous le contrôle et avec l aide d un enseignant. Sa vocation est de donner des exemples d application en classe dans un domaine de recherche de pointe de l astrophysique. Ce projet a été réalisé par le CRDP d Orléans-Tours, à l initiative de deux chercheurs en astrophysique du laboratoire de physique et chimie de l environnement (CNRS-Orléans) et il a reçu le concours d une équipe d enseignants de l académie d Orléans -Tours pour la validation pédagogique des contenus proposés. Le projet a reçu le soutien financier du dispositif Sciences à l École du Ministère de l Éducation nationale, de l Observatoire de Paris, de la Société Française de Physique et de la fondation EADS. Les évolutions de ce projet et les développements de nouvelles activités pédagogiques au-delà de l année 2006 sont consultables sur le site internet : [consulté le 12/09/06]

4 Les auteurs Ismaël Cognard est chargé de recherche au CNRS, en poste au laboratoire de physique et chimie de l environnement, à Orléans, depuis octobre Après des études de physique fondamentale à l université d Orléans, il soutient une thèse de doctorat à l Observatoire de Paris sur l observation des pulsars ultra-rapides avant de s expatrier un an à Princeton University. Il est responsable du programme pulsar au grand radiotélescope de Nançay et a développé, en collaboration avec University of California à Berkeley, l actuel analyseur numérique utilisé pour la chronométrie des pulsars. Gilles Theureau est astronome adjoint à l Observatoire de Paris et détaché au laboratoire de physique et chimie de l environnement, à Orléans, depuis septembre Après des études de mathématiques à l Université de Paris-XI-Orsay il s oriente vers l astronomie à partir de 1991, avec un DEA en astronomie fondamentale et mécanique céleste, puis une thèse de doctorat en cosmologie observationnelle. Pendant plus de dix ans, ses recherches ont porté sur la physique des galaxies, l échelle des distances dans l univers et les mouvements des galaxies au voisinage des grandes structures extragalactiques. En 2005, il rejoint le thème des pulsars et fonde une nouvelle équipe avec son collègue orléanais Ismaël Cognard. Patrick Sintès enseigne le jazz et l improvisation à l École nationale de musique d Orléans depuis Il anime des formations en informatique musicale pour des enseignants d écoles spécialisées. Contrebassiste dans différentes formations en région Centre, il fait également partie du groupe Rabab ensemble dans lequel il utilise en live ordinateurs et instruments électroniques aux cotés de quatre instrumentistes classiques et d un percussionniste. Pratique l astronomie en amateur depuis l opposition de Mars de novembre 1990.

5 L équipe pédagogique est composée d enseignants de physique et de mathématiques de l académie d Orléans-Tours. Elle a reçu le soutien d Alain Goursaud et Nicolas Montlivet, inspecteurs pédagogiques régionaux de physique, et de Michel Khairallah, chargé de mission Culture Scientifique et Technique au rectorat d Orléans-Tours. Ont ainsi participé activement à ce projet, en particulier pour la validation en classe des activités et exercices proposés, la rédaction de nouvelles fiches pédagogiques, et la proposition d expériences et manipulations à réaliser avec les élèves : - Marie-Christine Baurrier, enseignante de physique au lycée Pothier, à Orléans (45) ; - Mathieu Beauvais, enseignant de physique au lycée Jacques Coeur, à Bourges (18) ; - Joel Petit, enseignant de physique au collège Hubet Fillay, à Bracieux (41) ; - Christiane Sellier, enseignante de physique au lycée Durzy, à Villemandeur (45) ; - Daniel Verheylewegen, enseignant de mathématiques au collège Jean Moulin, à St- Amand-Montrond (18).

6 Sommaire partie DVD Bande annonce (clip, 2 mn - se lance automatiquement à l insertion du dvd) Le grand radiotélescope de Nançay : comment ça marche? (documentaire, 12 mn) Conférence : pulsars et gravitation (conférence filmée, 40 mn) L étude des pulsars et la physique fondamentale 1- La découverte des pulsars 2- L observation radio des pulsars 3- L évolution stellaire 4- Le diagramme de Hertzsprung-Russell 5- Les deux populations de pulsars 6- La chronométrie des pulsars 7- Les paramètres orbitaux d un système binaire 8- Les tests des théories de la Gravitation L histoire du grand radiotélescope par J.-L.Steinberg (interview, images d archives, 15 mn) Les programmes scientifiques du grand radiotélescope (clip, 4 mn)

7 Sommaire partie cédérom Visites virtuelles - panorama général - chariot mobile - récepteur - laboratoire - miroir plan - miroir sphérique - instrumentation pulsar Livret pédagogique - L âge de la nébuleuse du Crabe - Le ralentissement et l âge du pulsar du Crabe - Mesure de dispersion et distance du pulsar du Crabe - La distance des amas d étoiles et le milieu interstellaire - L analyse des temps d arrivée des impulsions des pulsars - Pulsar binaire et masse d une étoile à neutron - Effet Shapiro et masse du Soleil - Le principe optique des miroirs du grand radiotélescope - Les ondes électromagnétiques - Expériences : écouter le pulsar - Expériences : simulation d un pulsar, ondes radio et principe d un radiotélescope - Questionnaires d exploitation des films et réactivation des connaissances Vidéo - versions très compressée des chapitres de la conférence Musique - sons brut de pulsars (cinq pulsars) - bande originale des films (version complète : 13 pistes en fichiers mp3) Annexes - Olympiades de Physique 2006 dossier Olympiades de Physique 2006 : Lycée Durzy, Villemandeur - Recherche de pulsars dix secondes de données obtenues au radiotélescope de Nançay sont proposées pour y chercher un pulsar - Catalogue de pulsars on donne ici le catalogue juin 2006 de l Australian Telescope National Facility

8 Objectifs L âge de la nébuleuse du Crabe La nébuleuse du Crabe est un reste de supernova. C est le résidu gazeux de l explosion d une grosse étoile. En se basant sur des photographies de la nébuleuse prises à différentes époques, et en y reconnaissant des détails de structures identiques, on se propose de mettre en évidence l évolution au cours du temps de la coquille de gaz et de mesurer sa vitesse d expansion. En supposant une vitesse d expansion uniforme depuis l explosion de l étoile d origine, on pourra estimer l âge de la nébuleuse et l identifier avec la supernova observée en 1054 par les astronomes chinois. Enfin, en utilisant des mesures spectroscopiques complémentaires nous donnant la vitesse radiale d expansion de la nébuleuse en km/s, on pourra en déduire la distance de la nébuleuse et du pulsar qu elle abrite en son sein. Ce résultat pourra être comparé à celui de l activité (2) où l on utilise exclusivement les mesures radio du pulsar du Crabe. Connaissances mises en œuvre Générales Echelle d un document Notions d angles Equation linéaire d une droite Vitesse moyenne Astrophysique Evolution d une étoile massive, supernova Conférence : chapitre 3 Documents/données/matériel utilisés Trois photographies hautes résolution de la nébuleuse du Crabe prises respectivement les 19 janvier 1942, 27 février 1976 (document Sky and Telescope) et 17 novembre 1999 (document ESO-VLT) Une image en négatif où sont notées des étoiles de référence et leurs séparations angulaires sur le ciel Un spectre optique de la nébuleuse entre 450 et 700 nm (en option) le logiciel HOU Niveau de difficulté Collège, lycée 8

9 Image de la Nébuleuse du Crabe obtenue par l ESO (European Southern Observatory) avec le Very Large Telescope (VLT) le 17 novembre

10 Objectifs Ralentissement et âge du pulsar du Crabe C est en 1968, que fut découvert un pulsar au centre de la nébuleuse dite du Crabe. Il s agit du résidu de l étoile massive qui a explosé en 1054 sous les yeux des astronomes chinois et dont subsiste environ 1.4 masse solaire confinée dans un rayon de 10 km environ appelée étoile à neutrons. Dotée d un champ magnétique, l étoile émet deux faisceaux radio qui balaient l espace et sont captés sur Terre sous forme d impulsions radio régulières. En assimilant le pulsar à un dipôle magnétique ralentissant par perte d énergie émise par radiation, on peut définir un âge caractéristique du pulsar avec la relation : âge = P / 2 P1, ou P est la période et P1 sa dérivée. De la mesure du ralentissement du pulsar, il sera donc possible d estimer son age et de comparer avec l âge réel calculé grâce aux observations chinoises de Connaissances mises en œuvre Générales Dérivée Période Astrophysique Calendriers, jours juliens Conférence : chapitre 1, chapitre 2, chapitre 5 Documents/données/matériel utilisés Cinq séries de deux temps d arrivée d impulsions radio du pulsar du Crabe Niveau de difficulté Collège, lycée 10

11 03 avril :28: avril :28: avril :48: avril :49: Ensemble de temps d arrivée du pulsar du Crabe PSR B de période ms observé au radiotélescope de Nançay durant quelques semaines. 11

12 Objectifs Mesure de dispersion et distance du pulsar du Crabe C est en 1968 que fut découvert un pulsar au centre de la nébuleuse dite du Crabe. Il s agit du résidu de l étoile massive qui a explosé en 1054 sous les yeux des astronomes chinois. Ce résidu subsiste sous la forme d une étoile à neutrons; elle a une masse d environ 1.4 masse solaire et est confinée dans un rayon de 10 km environ. Dotée d un fort champ magnétique, l étoile émet deux faisceaux radio qui balaient l espace et sont captés sur Terre sous forme d impulsions radios régulières. La présence d électrons libres dans le milieu interstellaire produit le phénomène de dispersion : tout signal radio est d autant plus retardé que sa fréquence est basse et que le nombre total d électrons rencontrés dans le milieu est important. A partir d un ensemble d observations temporelles du signal pulsar du Crabe à différentes fréquences, on se propose de mettre en évidence cette dispersion, de la mesurer, et d en déduire une distance du pulsar. Connaissances mises en œuvre Générales Pente d une droite Proportions Densité Astrophysique Dispersion Milieu interstellaire Conférence : chapitre 2, chapitre 6 Documents/données/matériel utilisés La relation de dispersion du milieu interstellaire Une figure représentant des impulsions du pulsar du Crabe obtenus à différentes fréquences radio Niveau de difficulté Collège, lycée 12

13 Observation du pulsar du Crabe avec le radiotélescope de Nançay montrant la dispersion affectant le signal radio. Le pulsar a été observé dans 16 canaux de fréquences entre 1368 et 1428MHz. L axe des abscisses, temporel, est gradué en millisecondes 13

14 La distance des amas d étoiles et la découverte de l absorption interstellaire Objectifs 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. C est en comparant les distances de ces amas obtenues par deux méthodes différentes, l une 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. On se propose d estimer les distances de six amas d étoiles du disque de la Voie Lactée en se basant sur ces deux méthodes différentes L une étant affectée par l absorption de la lumière dans le milieu interstellaire et l autre non, on pourra alors estimer la quantité de lumière effectivement absorbée par les gaz et les poussières présents entre les étoiles. Par ailleurs, en étudiant la répartition des étoiles dans le diagramme HR (Hertzsprung-Russell) et en comparant les diagrammes les uns aux autres on pourra déterminer leurs âges relatifs. Connaissances mises en oeuvre Générales Echelle d un document Angles et trigonométrie de base dans un triangle Le logarithme Astrophysique La définition de la magnitude d un astre Le diagramme de Hertzsprung-Russel d un amas d étoile Le principe des parallaxes spectroscopiques Conférence : chapitre 4 Documents/données/matériel utilisés Une image grand champ de la région du Cocher où l on voit plusieurs amas d étoiles Des images photographiques (noir et blanc) à l échelle de sept amas d étoiles Des diagrammes de Hertzsprung-Russel de ces sept mêmes amas Le logiciel HOU Niveau de difficulté Parties A et D : collège, lycée Parties B et C : lycée Les parties A, B et D sont indépendantes 14

15 M45 (les Pléiades, dans la constellation du Taureau) M103 (dans la constellation de Cassiopée) M11 (dans la constellation de l Ecu) M67 (dans la constellation du Cancer) M34 (dans la constellation de Persée) Les images de cinq amas d étoiles, de type amas ouvert, prises avec du matériel d astronome amateur. (images Daniel Verheylewegem, atelier d astronomie du Collège Jean Moulin, Saint-Amand-Montrond, Cher) 15

16 Objectifs L analyse des temps d arrivée des impulsions des pulsars L analyse des temps d arrivée des impulsions radio d un pulsar est basée sur la comparaison entre des temps d arrivée mesurés et des temps d arrivée prédits par la théorie. En pratique, on dispose d un ensemble de paramètres qui décrivent tout ce que l on sait des mouvements relatifs de la Terre et du pulsar et ce que l on connait du pulsar lui-même. On modélise ainsi : la rotation de la Terre sur son axe, son mouvement orbital autour du Soleil, ce que l on connaît de la position ou du mouvement du pulsar par rapport au Soleil, et enfin les caractéristiques propres de l émission du pulsar, décrites par sa période et d éventuelles variations de période. Tout oubli ou nouveauté dans cette modélisation se traduit par une signature particulière dans la séquence des temps d arrivée mesurés par rapport à ceux prédits a priori. On se propose ici, à partir des mesures de temps d arrivée de deux pulsars PSR et PSR sur une quinzaine d années, de mettre en évidence : 1) une imprécision sur la période théorique ; 2) la découverte d un brusque changement de période en juillet 2000, appelé glitch témoin d un changement dans la structure interne du pulsar ; 3) l existence d un mouvement propre (déplacement sur le ciel) du pulsar visé. Connaissances mises en œuvre Générales Relation linéaire Projection Trigonométrie Dérivée Fonction y = x.sin(x) Astrophysique Mouvement orbital de la Terre Période d un pulsar Effet Doppler Mouvement propre Conférence : chapitre 6 Documents/données/matériel utilisés Séries de temps d arrivée d impulsions radios d un pulsar en fonction de la date d observation (en option) logiciel tableur-grapheur Niveau de difficulté Lycée, classes préparatoires, TIPE, 1 er cycle universitaire 16

17 Différence (temps d arrivée prédits) - (temps d arrivée mesurés) pour le pulsar milliseconde PSR sur une période d observation de 15 ans, entre 1990 et Effet d un mouvement propre sur les temps d arrivée du pulsar milliseconde PSR acquis sur plus de six ans 17

18 Pulsar binaire et masse d une étoile à neutrons Objectifs On se propose de mettre en évidence le mouvement orbital d un pulsar autour d une étoile compagnon en étudiant sur plusieurs mois la signature périodique dans les temps d arrivées mesurées des pulsations en radio. La confrontation de la période observée avec la courbe de vitesse d une étoile du voisinage obtenue par des mesures spectroscopiques permettra d identifier sans ambiguité le compagnon de ce pulsar binaire. On pourra alors, sur la base de quelques caractéristiques physiques observables de l étoile compagnon, déduire la masse de l étoile à neutron responsable de l émission pulsar. Connaissances mises en œuvre Générales Le logarithme Notions de périodes et de phase d un signal périodique L effet Doppler-Fizeau Astrophysique Quelques notions simples du mouvement dans un système binaire La définition de la magnitude d un astre Le diagramme de Hertzsprung-Russell Le principe des parallaxes spectroscopiques La relation masse-luminosité des étoiles de la séquence principale Conférence : chapitre 4, chapitre 7 Documents/données/matériel utilisés Le relevé des retards/avances temporels des temps d arrivée du pulsar sur 300 jours Le relevé des mesures de vitesse radiale de l étoile compagnon Les caractéristiques astrophysiques de l étoile Un diagramme Hertzsprung-Russell de référence Le graphe de la relation période-luminosité (en option) logiciel tableur-grapheur Niveau de difficulté Lycée, TIPE, 1 er cycle universitaire 18

19 Un système binaire étoile-pulsar Variation périodique de la position des raies dans le spectre d une étoile binaire Variation périodique des temps d arrivée d un pulsar en orbite autour d une autre étoile 19

20 Objectifs Effet Shapiro et masse du Soleil L analyse de mesures de temps d arrivée effectuées sur les impulsions radio d un pulsar est faite par comparaison de ces temps d arrivée mesurés avec des temps d arrivée calculés ayant a priori une idée de ses paramètres. En effet, connaissant sa période, sa position dans le ciel, il est possible de calculer d avance les instants auquels les impulsions radio vont parvenir au radiotélescope. Il faut bien évidement également inclure tous les effets de propagation dûs à la présence de tous les corps du système solaire. Nous utiliserons des données de mesures de temps d arrivée du pulsar PSR B dont le Soleil s approche à 1.5 degré chaque année autour de Noël. Les différences temps d arrivée observés moins temps d arrivée calculés ont été ici obtenues sans prendre en compte cette présence du Soleil. L effet du champ gravitationnel sur la propagation des ondes radio n a donc pas été inclus dans le calcul, et nous pouvons, à partir de la mesure de l effet visible dans les données, déterminer la masse du Soleil. Connaissances mises en œuvre Générales Les angles Lecture d un graphique Fonctions logarithmiques et trigonométriques Astrophysique Courbure de la lumière en présence de masse : allongement de trajet Chronométrie de pulsar Conférence : chapitre 7 Documents/données/matériel utilisés La relation de l effet Shapiro du Soleil Une figure avec l effet Shapiro du Soleil dans les temps d arrivée du pulsar PSR B Calculatrice Niveau de difficulté Lycée, TIPE, 1 er cycle univesrtitaire 20

21 Observations du pulsar PSR B faites avec le radiotélescope de Nançay. Les différences temps d arrivée mesurés moins temps d arrivée calculés sont tracées en fonction de la date. Ici, l effet d allongement du trajet dû au champ gravitationnel du Soleil est aisément visible. Chaque année autour de Noël, le Soleil passe en effet devant le pulsar avec une approche au plus près de seulement 1.5 degré. 21

22 Objectifs Principe optique des miroirs du grand radiotélescope Le grand radiotélescope est un instrument méridien constitué d un miroir primaire plan de 200 m x 40 m, d un miroir secondaire sphérique de 300 m x 35 m et d un récepteur mobile. L un des objectifs de cet exercice est de montrer que, de par sa conception, le grand radiotélescope peut suivre une source radio pendant une heure. En effet, son champ de vision latéral est de 15 comme doivent le montrer les constructions géométriques. On aborde les notions suivantes : Construction du trajet optique d une onde, Réflexion sur un miroir plan et sur un miroir sphérique, Mouvement apparent des astres, Surface focale. Connaissances mises en œuvre Générales Lois de Descartes Droites parallèles Angles Cercles Symétrie centrale Symétrie axiale Documents/données/matériel utilisés Schéma des deux miroirs du grand radiotélescope vus de dessus à l échelle 1/2400. Niveau de difficulté Lycée 22

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24 Objectifs Les ondes électromagnétiques Faire découvrir le spectre des ondes électromagnétiques, la diversité de ces ondes et de leurs applications. Retenir que la lumière (et les ondes électromagnétiques) peut se propager dans le vide et mémoriser la valeur de la vitesse de la lumière dans le vide. Citer quelques ordres de grandeur des distances dans l Univers ou des durées de propagation de la lumière qui leur correspondent. Connaissances mises en œuvre Générales Spectre, décomposition de la lumière à l aide d un prisme ou d un réseau Les sources de lumière, la propagation rectiligne de la lumière, modèle du rayon de lumière. Documents/données/matériel utilisés Documents à lire et questionnaires associés Accès à Internet ou à une encyclopédie (CDI) Niveau de difficulté Collège (classe de 4 e ) 24

25 Objectifs Expériences : Écouter le pulsar Pour illustrer une partie de la chaîne d acquisition du grand radiotélescope, on propose une série de trois expériences autour de la perception et du traitement d un signal sonore périodique. - On évalue la période d un pusar à l aide d un chronomètre et d une retranscription sonore du signal d un pulsar (chronométrie du signal pulsé). - On détermine la fréquence fondamentale d un son en réalisant une acquisition du signal et en le traitant avec un logiciel qui donne le spectre en fréquence par analyse de Fourier (analyse spectrale). - On fait passer un son d une fréquence inaudible à une fréquence audible en multipliant le signal entrant par un signal de fréquence voisine, puis en le filtrant (technique hétérodyne). Connaissances mises en œuvre Générales Caractéristiques d un système périodique Spectre d un signal Documents/données/matériel utilisés Sons de pulsars (disponibles sur le CD-rom) Chronomètre Bande son et son lecteur Un micro relié à une interface Orphy Logiciel Regressi ou autre (praat : logiciel gratuit) Deux générateurs basses fréquences Un multiplieur et son alimentation Un conducteur ohmique R = 1 khz Un condensateur C = 0,5 F Un haut-parleur Un oscilloscope à mémoire Niveau de difficulté Lycée 25

26 Expériences : pulsars, ondes radio, principe d un radiotélescope Objectifs La fiche présente un ensemble d expériences sur les ondes radio à faire en classe ou à venir découvrir pour certaines à l Espace Ciel Ouvert en Sologne ( ; accueil du public et des groupes scolaires pour les visites de la station et des ateliers pédagogiques). On propose ici quatre montages ou expériences pour : 1) prendre conscience de la sensibilité des récepteurs radios aux interférences ; 2) découvrir que les ondes radio ne sont pas des ondes sonores, qu elles peuvent être réfléchies par certains matériaux ou que d autres les laissent passer, etc. ; 3) construire un télescope à deux miroirs qui focalise les ondes sur le principe du grand radiotélescope de Nançay ; 4) simuler la détection d un pulsar au moyen d un gyrophare et d une photodiode. Documents/données/matériel utilisés Allume gaz piezzo-électrique Poste de radio Un émetteur et un récepteur d ondes centimétriques (3-cm / 10 Ghz) Plaques de verre, de carton, de grillage (mailles ~2 mm et ~5cm) et de métal Voltmètre Un projecteur de lumière sur pied (lampe 12V, 55W) muni d un collimateur. Un miroir plan circulaire sur pied Un miroir concave circulaire sur pied Un écran Un gyrophare à pile ou une lampe de poche montée sur un support tournant Une alimentation stabilisée (3V =) Une photodiode Un conducteur ohmique R = 100 Ω Une interface informatisée ou un oscilloscope à mémoire Niveau de difficulté Lycée, collège 26

27 Principe d un radiotélescope Générer des interférences radio 27

28 Objectifs : Questionnaires Un ensemble de QCMs et questionnaires sont proposés pour l exploitation des films et la réactivation des connaissances Documents/données/matériel utilisés Les différents films présents sur le DVD Niveau de difficulté Collège, lycée Exemples En quelle année a-t-on découvert les pulsars? Cette découverte a été faite : Par des chercheurs américains? Par des chercheurs anglais? Par ordinateur? Par hasard? L instrument ayant découvert les pulsars a été conçu pour étudier : Les pulsars? Les extra-terrestres? Les radiosources extragalactiques? Les exo planètes? Pour devenir un pulsar, une étoile doit : Etre jeune? Peser au moins 10 masses solaire? Peser au moins 1,4 masse solaire? Les étoiles sont: Des corps rocheux dont le diamètre moyen s exprime en milliers de km? Des boules de gaz dont le diamètre moyen s exprime en centaines de milliers de km? Des objets ponctuels (diamètre = 0 km), de nature indéfinie? Les étoiles se forment par contraction gravitationnelle d un nuage de gaz et de poussière : Dans une nébuleuse planétaire (exemple: M57, la nébuleuse annulaire de la Lyre)? Dans une nébuleuse diffuse (exemple : M42, la grande nébuleuse d Orion)? Dans un amas globulaire (exemple : M13, dans la constellation d Hercule)? 28

29 La bande originale des films Musique de Patrick Sintès Conception musicale et improvisation sur la base des signaux pulsés Pulsation, voici sans doute le premier mot qui vient à l esprit quand on est musicien et que l on entend parler d un pulsar. L envie d écouter la structure rythmique issue de la rotation rapide d une étoile lointaine vient donc très rapidement. Il faut peu de temps pour imaginer pouvoir réutiliser les informations captées par le radiotélescope, et s en servir dans le cadre d une création musicale. L idée d associer les sonorités d instruments acoustiques avec des signaux purement électroniques, issus des antennes du radiotélescope a pour but de tenter de retrouver cette ambiance contrastée et si particulière qui surprend la première fois que l on visite le site du radiotélescope. Les sonorités acoustiques et la chaleur naturelle d un instrument comme la contrebasse dégagent une ambiance sonore qui peut évoquer facilement la douceur des forêts de Sologne. Des sonorités électroniques et des instruments de percussions se rapprochent en revanche des mécanismes et mouvements de l instrument astronomique. La première partie du travail est réalisée par une équipe de chercheurs du CNRS qui va ainsi récupérer des données brutes captées par le radiotélescope puis les encoder sous forme de fichiers informatiques de type audio-numérique. L écoute des trépidations régulières d un pulsar peut s apparenter facilement aux craquements d un vieux disque vinyle fatigué. C est donc par un juste retour des choses que la suite du traitement s apparente au travail d un DJ (disc-jockey). Le DJ reprend plusieurs sources sonores pour les travailler, les remixer dans le but de créer une musique inédite. Le recours à un logiciel spécialisé a permis dans le même esprit de synchroniser plusieurs sources sonores puis de transformer des paramètres qui seront déterminants dans le résultat esthétique final : tempo, hauteur, filtres qui permettent d isoler et renforcer certaines fréquences. Les irrégularités dues à des interférences dans la réception du signal perturbent en temps normal le travail des chercheurs. Elles seront ici au contraire recherchées et exploitées afin de fournir des variations inédites et donc intéressantes sur le plan rythmique et musical. Ce jeu avec la matière sonore manipulée depuis un ordinateur ou des périphériques dédiés (contrôleur midi) est donc au final très similaire à celui d un DJ qui préfère utiliser bien sûr comme sources sonores de véritables disques vinyls ou pour la nouvelle génération, des fichiers audio-numériques de type MP3. Les données transitent ensuite par une série de processeurs d effets sonores destinés à embellir encore le résultat final et permettre de nouvelles possibilités de travail de la matière en temps réel (harmoniseur, modulateur en anneau, réverbération, écho, phasing, etc.). Tout ce travail de traitement permet de refondre entièrement les échantillons sonores utilisés au départ et donne ainsi un résultat plus proche de nos critères d appréciation esthétiques ou artistiques. On peut d abord écouter seules (sans instruments ajoutés) les pièces ainsi obtenues qui peuvent sembler familières au premier abord aux amateurs de musiques électroniques ou abstraites (plages ). La troisième et dernière partie du travail peut alors commencer avec l ajout des instruments acoustiques (batterie, contrebasse, piano).

30 Souvent improvisées (Décompte à rebours, À l épreuve du temps, esperance), ces pièces sont dans un esprit qui oscille entre free jazz et musique contemporaine. Parfois plus écrites (Jolie ballade, MéloMélé) et mélodiques, elles dégagent alors un caractère apaisant qui émousse légèrement le tranchant des arrêtes métalliques de l instrument astronomique. 1 PSR /PSR (remix) 2 Pulsar samba 3 esperance 4 PSR (remix) 5 Improvisation libre # Jolie ballade 7 PSR /PSR (remix) 8 Décompte à rebours 9 Tropical mixture 10 PSR (remix) 11 A l épreuve du temps 12 MéloMélé 13 PSR /PSR (remix) Liste des titres (42 minutes) Patrick Sintès : contrebasses, piano, mixages et arrangements Gilles Theureau : batterie

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