Fiche professeur - Académie d'Orléans-Tours

|Thème : OBSERVER - Ondes et matière |
|(Sous-thème : Rayonnements dans l'Univers) |
|Type de ressources : |
|Activité illustrant les notions du programme. Prolongements et |
|approfondissements des notions au programme. Références bibliographiques|
|et sitographie. |
|Notions et contenus : |
|Absorption de rayonnements par l'atmosphère terrestre. |
|Compétence travaillée ou évaluée : |
|Extraire et exploiter des informations. |
|Nature de l'activité : |
|Activité documentaire de découverte. |
|Résumé : |
|L'idée directrice est de faire découvrir que l'observation astronomique |
|ne s'intéresse pas qu'au domaine visible. Un premier document indique la|
|position sur la Terre et les caractéristiques de quelques observatoires |
|importants ou récents. Les autres documents permettent de répondre aux |
|questions posées en développant un raisonnement et de comprendre que |
|l'atmosphère est opaque pour certains domaines d'onde électromagnétique.|
|Mots clefs : onde électromagnétique, longueur d'onde, absorption, |
|spectre. |
|Académie où a été produite la ressource : Académie d'Orléans-Tours. |
|http://physique.ac-orleans-tours.fr/ |








Observer l'Univers depuis la Terre



Conditions de mise en ?uvre : activité de découverte en classe d'une durée
de 30 minutes environ.


Extrait du BO :


|Notions et contenu |Compétences exigibles |
|Rayonnements dans l'Univers |Extraire et exploiter des |
|Absorption de rayonnements par |informations sur l'absorption de |
|l'atmosphère terrestre. |rayonnements par l'atmosphère |
| |terrestre et ses conséquences sur |
| |l'observation des sources de |
| |rayonnements dans l'Univers. |


Compétences travaillées :

. Compétences du préambule du cycle terminal : pratiquer une démarche
scientifique (rechercher, extraire et organiser l'information utile,
mobiliser ses connaissances, mettre en ?uvre un raisonnement,
communiquer à l'écrit).


. Compétences « extraire et exploiter » : extraire et organiser des
informations utiles, choisir de manière argumentée ce qui est à retenir
dans des ensembles, exploiter qualitativement des informations.


Prérequis : onde EM, longueur d'onde.
Observer l'Univers depuis la Terre



Au cours du XXème siècle, le champ d'investigation de l'astronomie s'est
étendu de la lumière visible à l'ensemble du spectre électromagnétique, des
ondes radio jusqu'aux rayonnements les plus énergétiques : les rayons gamma
?. Mais l'ensemble des ondes électromagnétiques est-il observable depuis le
sol terrestre et pourquoi ?



Lire et Comprendre

Lisez les documents fournis et sélectionnez ceux qui contiennent les
informations qui vous permettront d'apporter les réponses argumentées aux
questions suivantes :



Questions :

1. Pour quels types de rayonnement du spectre électromagnétique,
l'observation au sol est-elle possible ?

2. En astronomie, le domaine le plus favorable à la détection d'exoplanètes
est l'infrarouge moyen (autour de 10 ?m). L'observation au sol dans
l'infrarouge nécessite des conditions particulières. Lesquelles ? Pour
quelle raison ?

3. Dans le domaine des UV et des rayons X, le photon incident est très
énergétique. Il peut donc générer soit des réactions de photodissociation
de molécule (rupture d'une liaison) qui libèrent de la chaleur après une
recombinaison des atomes provoquant une augmentation de température du
milieu, soit des réactions de photoionisation qui produisent des ions.

A. Dans quelle(s) couche(s) de l'atmosphère ont lieu ces réactions ?

B. L'observation des rayons X et UV est-elle donc possible au sol ?




4. Les photons gamma, mille milliards de fois plus énergétiques que la
lumière visible, proviennent des objets les plus « violents » de
l'Univers.

A. Pourquoi dit-on que le télescope HESS détecte indirectement les rayons
gamma ?

B. Quel modèle permet de comprendre que des particules secondaires
(« gerbe atmosphérique ») sont créées à partir de l'énergie d'un
photon gamma ?




5. Où placer les télescopes pour pouvoir accès à l'ensemble du spectre
électromagnétique ?





Questions supplémentaires :

6. Le télescope spatial Hubble a été lancé en 1990 par la navette spatiale.
Il permet notamment d'observer le domaine du visible en échappant de par
sa position à d'autres perturbations causées par l'atmosphère.
Lesquelles ?

7. Pourquoi est-ce que les scientifiques continuent de construire des
observatoires terrestres ?










|DOC. 1 : Situations de quelques observatoires (.) avec, pour certains, les domaines d'ondes observées |
|[pic] |



|DOC. 2 : Les couches de notre |DOC. 3 : Longueurs d'ondes absorbées par certains gaz |
|atmosphère |[pic] |
|[pic] | |
| |DOC. 4 : Carte mondiale des zones arides |
| |[pic] |
|DOC. 5 : spectre électromagnétique |
|[pic] |

DOC. 6 : Gerbe de particules dans l'atmosphère

[pic]

Illustrations possibles














(Crédit photo: NASA)

[pic]

Crédit : adapté d'une illustration par NASA/JPL















Crédit : wikipedia

Sources et sitographie :


. L'observation en astrophysique
Par Pierre Léna et Daniel Rouan

. Physique générale: Ondes, optique et physique moderne
Par Douglas C. Giancoli

. Astronomie et astrophysique: cinq grandes idées pour explorer et
comprendre l'Univers
Par Marc Séguin, Benoît Villeneuve

. Liens sur les satellites :

Satellite XMM-Newton destiné à observer les émissions de rayonnement X :
http://irfu.cea.fr/Sap/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast_visu.php?id_ast=1397

Satellite Herschel destiné à observer les émissions de rayonnement du
spectre lointain infra-rouge :
http://smsc.cnes.fr/HERSCHEL/Fr/

vidéo : http://www.herschel.fr/fr/herschel/pourquoi_le_spatial.php

Télescope spatial - wikipédia :
http://fr.wikipedia.org/wiki/T%C3%A9lescope_spatial

Télescope spatial GLAST :
http://www.in2p3.fr/presse/dossiers/2008_glast/glast.pdf
[pic][pic]
-----------------------
L'Observatoire du Cerro Paranal européen situé dans le désert d'Atacama, au
Chili, à une altitude de 2 635 mètres est doté du :
Very Large Telescope array (VLT).
L'ensemble de ces instruments observe depuints observe depuis
l'ultraviolet (300 nm) jusqu'à l'infrarouge moyen (environ 24 ?m).
- télescope VISTA (Visible and Infrared Survey Telescope for Astronomy),
qui observe dans l'infrarouge proche.
- VLT Survey Telescope qui étudiera le rayonnement visible du ciel.


Australia Telescope Compact Array est constitué de 6 antennes de 22 m de
diamètre chacune. Il est capable d'observer des émissions dont la longueur
d'onde varie entre 3 et 90 cm et celles mesurant 12 mm et 3 cm.



Le Southern African Large Telescope est installé dans le désert du
Kalahari. Il travaillera dans un domaine allant de l'ultraviolet proche
(340 nm) à l'infrarouge proche (2,5 ?m).







Le télescope HESS installé en Namibie détecte indirectement les rayons
gamma. Il possède 4 miroirs très sensibles dotés de caméras ultra-rapides.



L'Observatoire d'Hawaii culmine à 4 200 m. Ce site est l'un des meilleurs
du monde (atmosphère très sèche et stable).
Des télescopes observent dans le domaine visible et d'autres dans
l'infrarouge (1 à 25 ?m).


La Station de Nançay est spécialisée dans le domaine de la radioastronomie.
Elle comporte :



- le Réseau Décamétrique fonctionnant entre 3 et 30 mètres de longueur
d'onde.



- un radiotélescope spécialisé pour les longueurs d'onde de l'ordre du cm.



Le télescope Sophia à bord de son Boeing 747 est spécialisé dans
l'observation infrarouge. Il est emporté dans la stratosphère à une
altitude de 11 km.



Mésosphère


Thermosphère


Longueur d'onde ?



? X UV
Visible IR Radio



0,01 nm



10 nm



380 nm



780 nm
= 0,780 ?m


300 ?m



Gerbe de particules secondaires (électrons et positrons) qui produit un
cône de lumière bleuâtre très bref.





Rayon ?



~ 10 km



(Crédit photo: ASPERA / A.Marsollier)



Voie lactée observée dans les différentes bandes de fréquence. Vu en
lumière vis