Observer 1 C EST PARTICULIER (CONSIGNES) BUT : Comprendre qu'un rayonnement permet d'obtenir des informations de l Univers Connaitre des sources de rayonnement radio, infrarouge et ultraviolet. Découvrir le flot de particules provenant de l'univers. COMPETENCES : APP COM AUT Adopter une attitude critique et réfléchie vis-à-vis de l'information disponible Trier, classer et synthétiser l'information Rendre compte de façon écrite APP2 APP3 COM1 Source principale : Physique-Chimie-Terminale S-Nathan p 16 à 18 1. 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 e 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. Document 1.1. Atmosphère et observation astronomique. Document 1.2. Absorption des rayonnements électromagnétiques par l atmosphère. Répondre aux questions du paragraphe 1. Atmosphère et rayonnements dans l Univers.
2. L astronomie de l invisible Les astronomes s intéressent beaucoup aux rayonnements électromagnétiques appartenant aux domaines non visibles. Justifions cet intérêt par quelques exemples. Les photographies ci-contre représentent la Galaxie M94 en lumière visible (a), infrarouge (b) et ultraviolette (c) à la même échelle. Sur la photographie (c) : les UV proches sont en jaune, les UV lointains sont en bleu. L espace entre les étoiles est rempli de gaz et de poussières. La densité de cette matière est extrêmement faible mais, à plusieurs centaines d années de lumière, il suffit de quelques molécules par cm 3 pour observer des nuages opaques à la lumière visible sur la photographie (a). Le rayonnement infrarouge, de longueur d onde plus grande que celle de la lumière visible, peut traverser cette matière parce qu il subit peu la diffusion (absorption et réémission des rayonnements dans toutes les directions). Des étoiles, dont la lumière visible est cachée par ces nuages, apparaissent en observation dans l infrarouge. D autre part, les nuages de poussières, échauffés par le rayonnement des étoiles voisines, émettent eux-mêmes un rayonnement d origine thermique qui les rend brillants dans l infrarouge sur la photographie (b). Le rayonnement ultraviolet permet de révéler d autres aspects de l Univers. De jeunes étoiles très brillantes dans ce domaine apparaissent sur la photographie (c), là où gaz et poussières sont en faible densité. Document 3. Observation astronomique dans l ultraviolet et l infrarouge. La photographie (d) a été obtenue en superposant l image de la galaxie Centaurus A en lumière visible (couleur blanche) et dans le domaine radio (en orange). Le rayonnement radio de l Univers est souvent émis par des particules chargées, animées de mouvements rapides sous l effet, par exemple, de l activité d un trou noir, au centre de la galaxie Centaurus A. Document 4. Observation astronomique dans le domaine radio. Remarque : Un trou noir est un objet qui résulte de l effondrement d une étoile et qui a une masse volumique telle que les effets gravitationnels empêchent même la lumière de s en échapper. Répondre aux questions du paragraphe 2. L astronomie de l invisible.
3. Les particules dans l Univers La Terre reçoit un flot incessant de particules de grande énergie. D où provient-il? En 1912, on découvre que la Terre reçoit en permanence un rayonnement ionisant provenant de l espace. Ce rayonnement cosmique est constitué de particules chargées de grande énergie en provenance du Soleil ou d astres lointains (particules galactiques ou extragalactiques). Dans le «vide» spatial, ce rayonnement est surtout constitué de protons et de noyaux d hélium. Au voisinage de la Terre, ces particules sont déviées par la magnétosphère. Si leur énergie est insuffisante, elles ne peuvent pas atteindre l atmosphère, sauf dans les régions polaires où les lignes de champ s incurvent vers la surface terrestre. C est le cas pour les particules solaires, tandis que les particules galactiques, plus énergiques, ne sont pas arrêtées par le champ magnétique terrestre. Lorsqu une particule du rayonnement cosmique atteint les couches supérieures de l atmosphère, elle interagit avec les atomes voisins en perturbant leur nuage électronique, en arrachant des électrons ou en provoquant des réactions nucléaires. Les aurores polaires proviennent de la désexcitation des atomes ou des molécules de l air, excités ou ionisés par les particules solaires. Si l énergie apportée par la particule est suffisante, les produits de ces transformations interagissent à leur tour avec le milieu et il se produit finalement une «gerbe» de particules secondaires qui finissent par atteindre le sol (figure 5). Les particules d origine solaire sont issues de réactions nucléaires produites au sein de notre étoile. Elles sont donc des témoins du fonctionnement interne du Soleil. Les autres, dont l origine est encore mal connue, sont probablement les conséquences de phénomènes déployant des énergies considérables dans l Univers lointain, l action d un trou noir ou l explosion d une supernova par exemple. Les rayons cosmiques ont constitué une source de diverses particules très utile aux physiciens s intéressant à la structure intime de la matière. Ils l exploitent encore dans leurs recherches mais ils disposent maintenant des accélérateurs de particules. Dans ces appareils, des particules accélérées par des champs électriques et guidées par des champs magnétiques sont violemment projetées les unes contre les autres. Ces chocs donnent naissance à des gerbes de particules et c est en examinant les résultats que l on peut comprendre le fonctionnement de la matière. Document 6 : Le rayonnement cosmique. Document 5. Gerbes de particules issues du rayonnement cosmique. Les muons sont des particules de même charge que les électrons mais de masse 207 fois plus petite. On peut les observer à la surface de la Terre grâce à des détecteurs tels que la chambre à brouillard (1912), la chambre à bulles (1952) ou la chambre à fils (mise au point par le français Georges Charpak en 1968). Document 7 : Les Muons (Source : Physique-Chimie-Terminale S-Hachette p 22) La valse des rayons cosmiques : http://irfu.cea.fr/sap/phocea/video/index.php?id=169 Répondre aux questions du paragraphe 3. Les particules dans l Univers.
Observer 1 C EST PARTICULIER (BILAN) 1. Atmosphère et rayonnements dans l Univers 1.1. Analyser les documents 1.1.1. Quelles sont les sources d informations, étudiées par les scientifiques, qui nous parviennent de l Univers? 1.1.2. Le rayonnement (ou ondes lumineuses) a-t-il besoin d un support matériel pour se propager? Argumenter. 1.1.3. Que représente la grandeur portée en ordonnée sur le document 2? Préciser notamment la signification 0 % et 100 % pour les points ayant cette ordonnée. 1.1.4. Quelle grandeur est représentée en abscisse? 1.1.5. Expliquer comment est construite l échelle utilisée et ajouter ci-dessous, les valeurs manquantes devant chaque graduation. 1.1.6. Nommer les domaines de rayonnements électromagnétiques, qui sont repérés par les lettres A, B, C et D. S aider, si nécessaire, d une recherche sur internet. A B C D 1.1.7. Quel est le lien entre les illustrations (les instruments d observation) et leur position sur la représentation graphique? 1.2. Conclure 1.2.1. Donner les domaines de longueurs d onde (en m) des rayonnements électromagnétiques en provenance de l Univers qui peuvent être étudiés directement avec des instruments au sol. Préciser aussi le nom du domaine d ondes. Expliquer. Nommer ces instruments. Aide : identifier les rayonnements parvenant sur Terre 1.2.2. Quels domaines d ondes sont difficilement observables depuis la surface de la Terre? Quel instrument peut-on alors utiliser pour les observer et où les place-t-on? 2. L astronomie de l invisible 2.1. Sur les photographies, la galaxie M 94 paraît moins étendue sur la photographie (a) que sur les (b) et (c). Expliquer ceci en précisant : -quel «objet» de l espace arrête une grande partie du rayonnement dans le visible? -quels «objets» non observables dans le domaine visible, le deviennent dans le domaine infra-rouge?
-quels «objets» non observables dans le domaine visible, le deviennent dans le domaine ultra-violet? 2.2. Quels objets émettent dans le domaine radio? 2.3. Justifier la nécessité d exploiter les rayonnements électromagnétiques invisibles pour étudier l Univers. 2.5. Le rayonnement thermique est le rayonnement émis par un corps uniquement sous l effet de sa température Rappels de première : La loi de Wien relie la température T à la surface d un corps à la longueur d onde λ max de la radiation émise avec le maximum d intensité : 3 2,898.10 λ max = avec : θ = T - 273 ou T = θ + 273 T λ max en m T en K En utilisant la loi de Wien, classer les différents corps (corps émettant dans l UV, l IR et le domaine radio) par ordre décroissant de la température à leur surface. Justifier. 2.6. De quelle couleur apparaissent alors les étoiles les plus chaudes sur la photographie c? 2.6. À l aide des documents, dresser un tableau présentant des sources riches en rayonnements ultraviolet, infrarouge et radio dans l Univers : étoiles «froides», étoiles chaudes, particules chargées animées d un mouvement rapides et nuages interstellaires. Rayonnement Ultra-violet Infra-rouge Radio (ou radioélectrique) Exemples de sources dans l Univers 3. Activité documentaire. Les particules dans l Univers 3.1. Analyser le document 3.1.1. À l aide du document 6 et de vos connaissances de seconde et de première, expliquer les termes «rayonnement cosmique», «magnétosphère» et «réactions nucléaires». Rayonnement cosmique : particules de. énergies se déplaçant dans l espace. Magnétosphère : champ. environnant.. (ou un autre objet céleste). Réactions nucléaires : transformations affectant le. des atomes. 3.1.2. De quelles particules est constitué le rayonnement cosmique qui arrive sur Terre (y compris les particules secondaires)? 3.1.3. De quelles particules (vues en première) est constituée la lumière? 3.1.4. Quelle information du texte est illustrée par la figure 5? 3.1.5. Que se passe-t-il au point noté A? 3.1.6. Où reproduit-on ces chocs sur Terre pour les étudier? 3.1.7. Document 7. Citer un autre détecteur de particules utilisé dans le domaine de la radioactivité vu en classe de première. 3.2. Conclure 3.2.1. Quelles informations scientifiques les chercheurs peuvent-ils attendre de l étude des particules cosmiques? 3.2.2. Même question pour les particules produites dans les accélérateurs.