Transcript Rayonnements et particules

RAYONNEMENTS ET PARTICULES
Objectif : Extraire et exploiter des informations sur l’absorption de rayonnements par l’atmosphère terrestre
et ses conséquences sur l’observation des sources de rayonnements dans l’Univers.
La Terre reçoit de l’Espace des rayonnements électromagnétiques ainsi que des particules qui constituent le
rayonnement cosmique.
I- Le rayonnement électromagnétique
Le Soleil, comme tous les corps célestes, émet des rayonnements électromagnétiques qui se propagent à la
vitesse de la lumière mais qui diffèrent par leurs fréquences.
- Les ondes infrarouges, visibles et ultraviolettes ont pour principales sources des étoiles.
- Les rayons X ont pour principales sources des petites étoiles en fin de vie (naines blanches).
- Les rayons γ ont pour principales sources les trous noirs (effondrement gravitationnel d’une étoile).
- Les microondes ont pour principales sources les poussières interstellaires.
- Les ondes radio ont pour principales sources des étoiles massives en fin de vie (pulsars).
Sources
célestes
f
Figure1
Sources
terrestres
Absorption
par
l’atmosphère
terrestre
II- Absorption par l’atmosphère terrestre
L’atmosphère terrestre ne laisse passer qu’une partie des ondes électromagnétiques provenant de l’Univers.
Figure 2
λ
Capteurs pour observer
l’Univers
L’atmosphère est constituée de gaz à concentration constante (diazote N2 (78,1%), dioxygène O2 (21,8%),
argon Ar (0,9%)) et de gaz dont la concentration varie localement et au cours du temps, comme la vapeur d’eau
H2O, le dioxyde de carbone CO2, le méthane CH4, le monoxyde de carbone CO, le protoxyde d’azote N2O, les
chlorofluorocarbones CFC ou l’ozone O3. Chacun des gaz de l’atmosphère absorbe le rayonnement dans des
longueurs d’onde sélectives délimitant ainsi des bandes d’absorption.
Figure 3
10-7
10-6
10-5
10-4
λ(m)
III- Capteurs pour observer l’Univers
L’observation des rayonnements électromagnétiques provenant de l’Univers nécessite des capteurs adapté au
type de rayon et positionnés correctement.
L'Observatoire du Cerro Paranal
européen situé dans le désert
d'Atacama, au Chili, à une altitude
de 2 635 mètres est doté possède le
Very Large Telescope (VLT) qui observe depuis
l'ultraviolet (environ 100 nm) jusqu'à l'infrarouge
moyen (environ 10 µm).
Le satellite Herschel, observatoire
C
spatial, est équipé d’un télescope
de 3,5 mètres de diamètre pour
observer l’Univers dans les
domaines infrarouge lointain et
submillimétrique.
A
La Station de Nançay est
spécialisée dans le domaine
de la radioastronomie. Elle
comporte : un radiotélescope spécialisé pour les
longueurs d’onde de l’ordre du cm et un Réseau
Décamétrique fonctionnant entre 3 et 30 mètres de
longueur d'onde.
B
D
Swift est un télescope spatial (600
km d’altitude) équipé du télescope
UVOT, pour observer dans le
domaine des ultraviolets.
IV- Les particules dans l’Univers
Figure 4
La terre est constamment bombardée de particules cosmiques, particules
P
de grande énergie en provenance du Soleil ou d’astres lointains.
Lorsqu’une particule du rayonnement cosmique (protons, noyaux légers
ou encore gamma, électrons) 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. 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 une « gerbe » de particules secondaires qui finissent par
atteindre le sol (certaines particules comme les mésons sont très
éphémères, d'autres comme les muons sont assez pénétrantes et vivent
assez longtemps pour atteindre le sol).
Les particules d’origine solaires sont issues de réaction nucléaire produite
au sein de notre étoile. Elles sont donc des témoins du fonctionnement interne du Soleil. Les autres, d’origine
mal connue, sont probablement les conséquences de phénomènes déployant des énergies considérables dans
l’univers lointain.
Questions :
1. Ecrire la relation, dans le vide, entre la longueur d’onde λ, la fréquence f et la célérité de la lumière c.
2. Rappeler les longueurs d’onde limite du spectre visible de la lumière, dans le vide.
3. Dans la figure 1, compléter les tableaux des domaines des rayonnements électromagnétiques en faisant
figurer les sources caractéristiques et les sources terrestres.
4. D’après la figure 2, quelles sont les ondes qui ne sont pas ou peu absorbées par l’atmosphère terrestre ?
5. D’après la figure 3, quels sont les domaines de rayonnements absorbés par l’eau ; par le dioxygène et
l’ozone ?
6. Dans le tableau de la figure 2, attribuer aux domaines d’ondes les lettres A, B, C, D correspondant aux
capteurs pour observer l’Univers.
7. Quelle information du texte du IV est illustrée par la figure 4 ? Que se passe-t-il au point P ?
8. Quelles informations scientifiques les chercheurs peuvent-ils attendre de l’étude des particules cosmiques ?