Rayonnements dans l'Univers

ACTIVITES

A1 Différents rayonnements

fig2. Galaxie d'Andromède observée dans différents domaines du spectre électromagnétique.

Il n'est pas facile de parler de lumière d'une façon simple et concrète.

Sur l'eau d'un étang tranquille, un insecte s'agite. Tout autour de lui, des ondes circulaires s'éloignent et se propagent jusqu'à la rive. La distance entre deux crêtes est la "longueur d'onde".

Les sons qui émergent d'un haut-parleur sont aussi des ondes. C'est l'air qui vibre. Ce ne sont pas des cercles, mais des sphères concentriques qui se propagent dans toutes les directions.

Les longueurs d'onde vont de plusieurs mètres pour les sons les plus graves à quelques centimètres pour les plus aigus.

D'une bougie qui brûle dans la nuit, partent des ondes de lumières. Comme les ondes sonores, ce sont des sphères concentriques. La lumière jaune de la bougie a une longueur d'onde d'environ un demi-micron.

En variant la longueur d'onde, on couvre toute la gamme des ondes électromagnétiques. Du kilomètre au centimètre, on est dans le domaine radio. A plus courte longueur d'onde, on passe à l'infrarouge, qui s'étend environ jusqu'au demi-micron. La lumière visible occupe une bande entre sept dixièmes et 4 dixièmes de micron. Ensuite, on rencontre successivement l'ultraviolet, les rayons X et les rayons gamma.

Hubert Reeves.

fig1. Spectre électromagnétique.

1. En Physique, un rayonnement est modélisé par une onde. Comment Hubert Reeves propose-t-il de modéliser une onde ? Réaliser un schéma en faisant apparaître la longueur d'onde.

2. Quels sont les noms des différentes catégories d'ondes évoquées dans le texte ? Associer le nom des rayonnements à chaque numéro de la figure 1.

3. Pourquoi qualifie-t-on l'œil de capteur à "faible étendue" 

4.a. Quelles zones de la galaxie d'Andromède masquées en lumière visible apparaissent clairement sur les autres clichés ?

b. Le rayonnement ultraviolet est associé à des zones très chaudes. Expliquer cette affirmation.

c. Où se trouvent ces régions sur Andromède ?

5. En Physique, on parle souvent de "lumière invisible". Comment comprendre cette expression ?

A2 Sources de rayonnements.

Quand les astronomes étudient un objet céleste inconnu, ils n'observent pas nécessairement une photographie prise par un télescope, mais plutôt des graphiques représentant l'intensité du rayonnement électromagnétique émis en fonction de la longueur d'onde. Ce type de graphique est appelé "courbe d'intensité spectrale" ou encore "spectre".

Cette étude leur permet de repérer la présence des sources de rayonnements issus de cet objet. En effet, les spectres des phénomènes physiques se produisant couramment dans les astres  ont des allures qui leur sont propres.

fig2.

A l'aide des documents précédents, on souhaite décrire l'objet céleste correspondant au spectre de la figure1.

1a. Associer aux zones numérotées de 1? à 5 les termes suivants : visible ; infrarouge ; ultraviolet ; radio ; X.

1b. Cet astre, s'il est suffisamment grossi, pourra-t-il être observé par l'œil humain ?

2. En vous appuyant sur la figure2, identifier les sources de rayonnements présents sur l'astre.

3a. Déduire trois propriétés physiques de cet astre.

3b. Cet astre est classifié comme "supernova". Vérifier que cette appellation est cohérente avec les observations précédentes.

A3 Casque sans fil.

Des modèles de casques sans fil permettent d'écouter de la musique sans gêner son environnement avec une liberté de mouvement.

Certains utilisent la "transmission par infrarouge". Ils sont associés à un module émetteur relié à la source audio présentant plusieurs diodes en façade.

Pourtant, que le casque fonctionne ou pas, ces diodes ne semblent pas s'allumer.

Problématique : Comment vérifier que ces diodes fonctionnent en émettant un rayonnement ?

Matériel à disposition : un casque sans fil ; une webcam ou un téléphone portable ; un luxmètre (470 – 690 nm) ; un spectrophotomètre.

1. Le capteur de la webcam est-il adapté à l'observation du rayonnement émis par les diodes ?

2. Comment visualiser ce rayonnement ? Réaliser cette manipulation.

3. Comment qualifier le rayonnement de ces diodes ?

4. Le luxmètre mesure l'intensité lumineuse du rayonnement émis par la source. Est-il adapté à l'observation.

5. Comment vérifier expérimentalement le domaine d'émission de la diode. Mettre en œuvre et vérifier.

6. A chaque capteur de rayonnement est associé un "intervalle de sensibilité". Expliquer et conclure.

A4 Lunettes de soleil.

Pour protéger les yeux des expositions excessives au Soleil, il est recommandé de porter des lunettes solaires. Tous les modèles offrent-ils la même protection ?

Le Soleil est une source de rayonnements très riches. Il émet sur la totalité du spectre électromagnétique. Seule une partie de ces rayonnements parvient à la surface de la Terre, dont une partie des rayonnements ultraviolets dont la longueur d'onde est comprise entre 100 et 400 nm.

Ces rayonnements peuvent être dangereux. Une trop longue exposition peut provoquer des cancers de la peau ou des lésions sérieuses de la vue (cataracte, dégénérescence maculaire...). La seule protection pour les yeux consiste à porter des lunettes de soleil.

Cependant, toutes les lunettes n'assurent pas une protection adéquate : seules celles portant la mention UV400 assurent une protection suffisante contre les rayonnements UV et satisfont aux normes en vigueur.

On se propose de vérifier si des lunettes de soleil offrent une protection anti-UV conforme à la norme UV400.

1. Proposer un montage permettant de vérifier la qualité des lunettes à disposition.

2. Exposer votre protocole.

3. Une fois ce protocole validé, mettre en œuvre et conclure.

COURS

C1 Sources de rayonnement.

C11 Définition :

En Physique, un rayonnement désigne la propagation d'énergie émise par une source.

On distingue deux types de rayonnements :

• Le rayonnement de particules, lorsque le déplacement d'énergie s'accompagne d'un déplacement de matière.
• Le rayonnement électromagnétique, lorsque l'énergie se déplace seule.

C12 Sources de rayonnement de particules :

L'Univers est parcouru par des noyaux atomiques ou des particules élémentaires (protons, neutrons, électrons...) se déplaçant à grande vitesse : c'est le rayonnement cosmique.

Ces particules seraient émises lors de l'explosion d'étoiles très massives : les supernovas, et subiraient des transformations lors de leur voyage.

C13 Sources de rayonnement électromagnétique :

Selon la quantité d'énergie qui se propage, et donc la longueur d'onde, le rayonnement électromagnétique est divisé en différentes catégories.

Le regroupement de ces rayonnements constitue le spectre électromagnétique.

Les objets célestes produisent généralement des rayonnements qui s'étalent sur la totalité du spectre électromagnétique.

Les rayonnements provenant de l'Univers sont dus à des phénomènes physiques faisant intervenir des énergies élevées

C2 Détecter un rayonnement.

C21 Collecter, concentrer er détecter :

Quel que soit le domaine du spectre électromagnétique observé, tous les instruments d'observation reposent sur le même principe :

• Ils comportent une surface réceptrice qui intercepte les rayonnements
• Ces rayonnements sont concentrés pour être dirigés vers un détecteur spécifique
• Ce détecteur transforme alors les rayonnements reçus en une grandeur mesurable.

C22 Détecteurs de rayonnements de particules : La détection de particules peut s’effectuer en étudiant leur interaction avec l’atmosphère terrestre.   Ces interactions produisent des gerbes de particules élémentaires secondaires susceptibles d’être détectées au sol par un réseau de détecteurs.       Atlas, le plus gros détecteur de particules du Monde

C23 Détecteurs de rayonnements électromagnétiques :

C3 Contraintes d'observation des rayonnments.

C31 Interaction matière/rayonnement Le rayonnement électromagnétique se propage sans support matériel, mais peut rencontrer de la matière. Lors de l’interaction matière/rayonnement, l’énergie (ou une partie seulement) transportée par le rayonnement peut être absorbée. On parle d’absorption du rayonnement.   · Si toute l’énergie transportée est absorbée, on dit que la matière est opaque. · Contrairement, si toute l’énergie transportée n’est pas absorbée, on dit qu’elle est transparente.     Valise observée aux rayons X

C31 Interaction matière/rayonnement

Les rayonnements provenant de l'Univers entre en interaction avec l'atmosphère terrestre.

• Les rayonnements appartenant aux domaines visible et radio parviennent au sol.
• Certains de ces rayonnements ne franchissent pas l'enveloppe gazeuse (Rayons X, IR et très longues longueurs d'onde).

Ainsi, pour pouvoir observer l'Univers, il est nécessaire de s'affranchir de cette absorption en positionnant les capteurs au-dessus des couches absorbantes (ex: télescope Hubble).