Démonstration par l enseignante ou l enseignant : Étoile brillante ou rapprochée?

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1 SNC1D/1P Étude de l Univers / Exploration spatiale Démonstration par l enseignante ou l enseignant : Étoile brillante ou rapprochée? Sujets étoiles magnitude absolue magnitude apparente distance interstellaire unités astronomiques année-lumière Durée préparation : 5 min démonstration : 25 min Attentes particulières SNC1D A1.10 Tirer une conclusion et la justifier. D2.2 Modéliser une caractéristique des corps célestes (p. ex., comparer la magnitude absolue et la magnitude apparente à l'aide de sources lumineuses de différentes intensités placées à des distances variées). [ER] D1.2 Décrire les principales composantes de notre système solaire et de l'univers, qualitativement et quantitativement, en utilisant la notation scientifique et les unités appropriées. SNC1P A1.10 Tirer une conclusion et la justifier. D2.2 Compiler une base de données sur des composantes de l'univers et analyser l'information retenue. [ER, AI] D1.1 Décrire les principales composantes de l'univers (p. ex., planète, étoile, satellite, galaxie). Introduction Lorsque l on regarde le ciel la nuit, certaines étoiles paraissent très brillantes tandis que d autres sont à peine visibles à l oeil nu. Avec des jumelles, en revanche, on peut remarquer que les étoiles ont des couleurs différentes. L éclat et la couleur d une étoile dépendent de trois facteurs : sa température, sa distance et sa taille. Il y a deux façons de mesurer l éclat d une étoile : La «magnitude apparente» est la mesure de la luminosité d une étoile observée depuis la Terre. Cette échelle est établie sur l étoile la plus brillante, soit le Soleil, qui a la valeur de 26,8. Les étoiles les plus pâles, visibles uniquement au moyen des plus gros télescopes, ont une magnitude apparente de 25 et les étoiles les plus pâles visibles à l oeil nu, une magnitude de 5,5. Un écart négatif de 1 sur l échelle équivaut à un accroissement de 2 ½ fois de la brillance apparente.

2 La magnitude absolue d une étoile est la mesure de sa luminosité si elle était vue d une distance de 32,6 années-lumière (al). Si l on alignait toutes les étoiles à cette distance, on pourrait en comparer leur véritable luminosité. Nous savons que la magnitude apparente du Soleil est de 26.8, soit la plus brillante. Toutefois, si l on utilisait l échelle de magnitude absolue de cette étoile, elle serait à peine visible à l œil nu puisque sa magnitude apparente serait de 4,8. Matériel 2 lampes de poches de faible puissance identiques lampe de poche de forte puissance Consignes de sécurité Les élèves ne devraient jamais regarder directement le rayon lumineux d une lampe de poche, de quelque puissance que ce soit, durant une période prolongée. Marche à suivre 1. Prédire Montrez l image suivante d Orion (fig.1). Demandez aux élèves d indiquer quelle étoile leur semble la plus proche et la plus lointaine. (Image reproduite avec la permission de la NASA) Fig.1 Trois des étoiles de la constellation d Orion Demandez aux élèves de se placer d un côté de la classe. 2. Observer Montrez aux élèves que deux objets ayant la même brillance paraissent différents lorsqu ils ne sont pas à la même distance de l observateur. Déposez les deux lampes de poche identiques de faible puissance sur le bureau une lampe plus proche des élèves que l autre. Allumez les deux lampes de poche puis éteignez les lumières de la salle de cours. Demandez aux élèves de comparer la luminosité des lampes de poche. 3. Montrez-leur aussi que deux objets de brillance différente paraissent différents lorsqu ils sont à la même distance de l observateur. Pointez vers les élèves une lampe de poche de faible puissance et une lampe de poche de forte puissance tenues côte à côte. Allumez les

3 lampes de poche puis éteignez les lumières de la salle de cours. Demandez aux élèves de comparer la luminosité des lampes de poche. 4. Montrez ensuite que la luminosité des objets peut être trompeuse lorsque ceux-ci se trouvent à des distances différentes de l observateur. Déposez sur le bureau une lampe de poche de faible puissance proche des élèves et pointant dans leur direction. Déposez la lampe de poche de forte puissance, plus loin derrière, pointant dans la même direction. Elle devrait être suffisamment éloignée de l autre afin de paraître moins brillante. Allumez lampes de poche puis éteignez les lumières de la salle de cours. Demandez aux élèves de comparer la luminosité des lampes de poche. 5. Rapprochez maintenant la lampe de poche la plus puissante. Qu est-ce qui se produit sur le plan de la luminosité? 6. Placer la lampe de poche la plus puissance à la distance où les deux lampes de poche paraîtront de la même luminosité : là où les magnitudes apparentes seront les mêmes. Demandez aux élèves de quelle façon ils s y prendraient pour déterminer laquelle est la plus grosse ou la plus rapprochée s ils ne voyaient que les deux points de lumière. 7. Expliquer Demander aux élèves de nommer les deux facteurs agissant sur la luminosité illustrée par cette démonstration. 8. Faites le lien entre la démonstration et les étoiles de la figure1. Rigel est plus éloignée de la Terre que Bételgeuse. Que peuvent inférer les élèves à propos de la luminosité de Rigel? Invitez-les à prendre en considération à la fois la température et l énergie. Nettoyage Éteignez les lampes de poche et retirez-en les piles jusqu à la prochaine utilisation. Qu est- ce qui se produit? Lorsque la lampe de poche de forte puissance est au point le plus reculé, la lumière qui atteint l observateur semble pâle, car elle s étale sur une plus grande région. La petite lampe de poche, qui est plus rapprochée, est plus brillante, car sa lumière est diffusée sur une plus petite région. Comment ça fonctionne? Les deux facteurs agissant sur la luminosité sont l énergie de la lumière (qui agit sur sa température et sa couleur) et la distance d avec l observateur. Parfois les étoiles qui paraissent les plus brillantes et celles qui paraissent les plus proches ne le sont pas en réalité. L énergie lumineuse se dissipe (se disperse) en s éloignant de sa source. Vous pourriez aborder brièvement le concept de la loi de l inverse des carrés à laquelle la lumière obéit : à mesure que la distance d avec la source de lumière grandit (fig.2), la région couverte par la lumière s accroît du carré de la distance. Puisque la même quantité d énergie lumineuse est étalée sur une région plus vaste, la luminosité à n importe quel point donné est moindre. (Consultez la référence indiquée ci-dessous pour les détails.) En conséquence, les objets lumineux très éloignés semblent plus pâles que les objets rapprochés qui émettent la même quantité d énergie lumineuse.

4 Source: Fig.2 La région couverte par la lumière s accroît du carré de la distance d avec la source. Une plus petite proportion de la lumière d une étoile distante atteint l oeil de l observateur que la proportion de la lumière émise d une étoile plus proche. La luminosité apparente des étoiles, illustrées dans cette démonstration, subit l effet de la taille des étoiles (qui souvent correspond à l énergie produite) et de leur distance de la Terre. Bételgeuse (coin gauche de la constellation d Orion) se trouve à environ 642 al de nous, tandis que Rigel (coin droit inférieur) est à environ 776 al. Bellatrix (la plus pâle) est la plus rapprochée de nous, à environ 245 al. Par conséquent, et la taille et la distance agissent sur la luminosité d une étoile. Suggestions / conseils pour l enseignante ou l enseignant 1. Essayez d autres lampes de poche et changez les distances afin de vous assurer que les lampes plus puissantes, installées à l extrémité de la salle de cours, paraissent plus pâles que la petite lampe de poche (étape 3). Vous devriez également déterminer la distance où placer la grosse lampe de poche de sorte que les magnitudes apparentes semblent égales. 2. Vous pourriez également enregistrer au moyen d un photomètre la quantité de lumière (en W/m 2 ) émise ou réfléchie par les différents objets lumineux ou réfléchissants. Prochaines étapes Les effets de la température et la luminosité pourraient être analysés. Bételgeuse est 15 fois plus grosse (de rayon) que Rigel et plus de 100 al plus rapprochée. Pourquoi Rigel est-elle plus brillante? Parce que Bételgeuse est une géante rouge qui a évoluée hors de la séquence principale. Ce qui signifie qu elle s est consumée durant tout le processus de fusion de l hydrogène et que, comme elle en est à l étape de la fusion d éléments plus denses, elle produit moins d énergie. Elle est donc plus pâle que ce à quoi on pourrait s attendre d une étoile de cette taille. La température de sa surface est relativement fraîche, soit environ 3500 K. Rigel est une géante bleue dont la température de la surface est d environ K. Vous pourriez aborder ensuite le sujet de la couleur en tenant compte de la longueur d onde (et de l énergie relative) de chacune des couleurs qui composent la lumière.

5 Extension : Introduisez le sujet de la loi de l inverse des carrés afin que les élèves puissent déterminer quantitativement la baisse de l énergie de rayonnement par rapport à la distance de la source. Ressources supplémentaires 1. Windows to the Universe Magnitude as a measure of the brightness of stars: (en anglais et en espagnol) 2. Earth Sky Sirius and the brightness of stars: (en anglais et en espagnol)