Synthèse de documents: Vitesse d'éloignement des galaxies et spectroscopie








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date de publication23.04.2017
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Synthèse de documents: Vitesse d'éloignement des galaxies et spectroscopie



A l'exception de la grande galaxie d'Andromède et de quelques galaxies naines proches, toutes les galaxies s'éloignent de nous. L'astronome américain Edwin Hubble a constaté dès la première moitié du 20ème siècle que la vitesse d'éloignement des galaxies est proportionnelle à la distance qui nous en sépare. Ce constat, confirmé par de nombreuses observations faites jusqu'à aujourd'hui, semble montrer l'expansion de l'Univers. Pour arriver à cette conclusion, il a fallu parvenir à déterminer la vitesse des galaxies.

À l’aide des documents ci-dessous et en utilisant vos connaissances, rédiger, en 30 lignes maximum, une synthèse argumentée répondant à la problématique suivante:

« Comment déterminer la vitesse des galaxie par spectroscopie? »

On répondra à cette question en s'appuyant sur l'exemple de la galaxie NGC 4151. Après avoir indiqué comment les spectres des sources lumineuses sont obtenus, le spectre de la galaxie NGC 4151 sera rapidement décrit et interprété (domaine du spectre électromagnétique présenté, informations déduites par une simple lecture et sans calculs). On exploitera ensuite le spectre de la galaxie NGC 4151 pour vérifier que cette dernière s'éloigne. On évaluera enfin l'ordre de grandeur de sa vitesse d'éloignement.

On pourra conclure en précisant comment une exploitation plus complète du spectre aurait permis une évaluation plus précise de la vitesse d'éloignement.

Document 1: Spectroscopie et astrophysique

La spectroscopie est l'étude des différentes longueurs d'onde des radiations qui composent une lumière. Ces différentes longueurs d'onde portent la trace, ou l'empreinte, des éléments chimiques traversés par la lumière ou qui émettent celle-ci. La plupart des observatoires professionnels possèdent des spectrographes. Ces appareils permettent de décomposer la lumière reçue et de réaliser le spectre des objets célestes étudiés.

Les spectres observés présentent en général, un fond continu sur lequel se superpose une série de raies sombres ou brillantes.

Les raies sombres, dites raies d'absorption, sont produites lorsqu'un gaz froid se trouve entre l'observateur et la source de lumière. Les atomes de ce gaz absorbent certaines radiations de longueurs d'onde particulières et gagnent de l'énergie. Les radiations absorbées se traduisent alors par des raies sombres dans le spectre.

Quant aux raies brillantes, dites raies d'émission, elles se produisent lorsqu'un gaz émet de la lumière par fluorescence. Dans ce cas, ses atomes perdent de l'énergie en émettant des radiations correspondant à certaines longueurs d'onde bien précises. Cette lumière est à l’origine des raies brillantes dans le spectre de l’objet étudié.

Les longueurs d’onde des raies d’émissions ou d’absorption sont spécifiques des entités chimiques qui sont à l’origine des raies. Ces entités peuvent donc être identifiées à partir du spectre.


Christophe Ginet GRD académie de Lyon
D'après le site :http://www.astro-caaq.org (Club des astronomes amateur du Québec)

Document 2: L’effet Doppler



En spectroscopie cet effet est aussi appelé effet Doppler-Fizeau. Il se traduit par un décalage des raies dans le spectre d'un objet céleste en raison de la vitesse radiale de l'astre observé. Si l'objet à l'origine des raies s'approche de l’observateur, les raies (d’émission ou d’absorption) présentes dans le spectre de la lumière sont décalées vers les courtes longueurs d'onde. Si au contraire, il s’éloigne les raies sont décalées vers les grandes longueurs d'onde (cf. schémas ci-dessous).

Ci-dessous est présenté le phénomène dans le cas d'une étoile. Les raies d'absorption sont dues à l'atmosphère de l'étoile. Une exploitation similaire peut être réalisée sur le spectre d'autres objets.






o : longueur d'onde de la raie dans le spectre de la source lumineuse immobile

r : longueur d'onde de la raie dans le spectre de la source lumineuse en mouvement
Le déplacement des raies dû à l’effet Doppler-Fizeau s’évalue à l’aide d’une grandeur z, appelée décalage spectral relatif:



Le décalage spectral relatif est positif si l'astre s'éloigne, négatif dans le cas inverse.

On peut montrer que si la vitesse de l’astre observé est nettement inférieure à la célérité de la lumière dans le vide, la vitesse radiale v (c'est à dire la composante de la vitesse dans la direction d'observation) de la source lumineuse par rapport à l’observateur peut être déduite du décalage spectral à l'aide de la relation:

v = z . c z : décalage spectral relatif

c = 3,00 x 10 8 m.s – 1 : célérité de la lumière dans le vide.

La vitesse radiale (c'est dire la vitesse d'approche ou d'éloignement) est donc positive par convention si l'astre s'éloigne et négative dans le cas inverse.


Christophe Ginet GRD académie de Lyon


Document 3: Raies d’émission dans le spectre des galaxies



Lorsque l’on réalise le spectre de certaines galaxies dans le domaine visible, on peut observer des raies d’émission. Ces raies d’émission sont dues à la présence d’éléments chimiques ionisés à l’état de gaz dans la galaxie.

Le tableau ci-dessous représente quelques exemples de raies d’émission souvent observées dans le spectre des galaxies. Les longueur d'onde données correspondent aux longueur d'ondes des raies lorsqu'elles sont obtenues en laboratoire (source lumineuse immobile).

Éléments chimiques responsables de la raie dans le spectre

Notation de la raie

Longueur d’onde de la raie en l’absence de décalage dû à l’effet Doppler (en nm)

Néon

[NeIII]

368,9

Hydrogène

H

H

H

434,0

486,1

656,3

Oxygène

[OIII]

500,7

Source: Données extraites et adaptées d’une publication de sylvain Baumont

(Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules)

http://supernovae.in2p3.fr/~baumont/outreach/TheseHTML/node32.html

Document 4 : Spectre de la galaxie NGC 4151 – Certaines raies sont identifiées.





Source : D'après http://www.astrosurf.com/buil/galaxies/spectra.html


Christophe Ginet GRD académie de Lyon


Exemple de synthèse :

On souhaite montrer comment déterminer la vitesse d'éloignement des galaxies à travers l'exemple de la galaxie NGC 4151.

Les spectres sont obtenus grâce à des spectrographes qui décomposent la lumière d'une source lumineuse. Le spectre de la galaxie NGC 4151 a été réalisé dans le domaine du visible : les longueurs d'onde sont comprises entre 400 nm et 800 nm. En plus du fond continu, on observe des raies d'émissions qui montrent la présence d'éléments chimiques ionisés dans la galaxie: les éléments hydrogène, oxygène et soufre.

On observe par ailleurs un décalage des raies d'émissions dans le spectre dû à l'effet Doppler. Pour la raie [OIII] par exemple le décalage spectral relatif est:

z = ( r – o ) / o = (502,2 – 500,7) / 500,7 = 3,0 x 10 – 3

Le décalage est positif, on en déduit que la galaxie s'éloigne de nous.

A partir du décalage spectral, on détermine la vitesse d'éloignement en faisant l'hypothèse que la vitesse calculée est très inférieure à la célérité de la lumière:

v= z. c = 3,0 . 10 – 3 . 3,0 . 10 8 = 9,0 x 10 5 m.s – 1 soit environ 10 6 m.s – 1
La galaxie NGC 4151 ne fait donc pas exception : elle s'éloigne de nous et sa vitesse d'éloignement est de l'orde de mille kilomètre par seconde. Une évaluation plus précise de cette vitesse aurait nécessité de faire la moyenne du décalage spectral des différentes raies.


Proposition de barème : / 4 points Points clés: * <=> 0,25 point


Spectres obtenus par décomposition de la lumière d'une source

*

Spectre de NGC 4151 dans le domaine du visible : 400 nm < < 800 nm.

Description du spectre : fond continu, raies d'émissions

Interprétation : présence d'éléments chimiques ionisés :

les éléments hydrogène, oxygène et soufre.

*

*

*

*

Observation du décalage des raies d'émissions dû à l'effet Doppler

Choix d'une raie (raie [OIII] par exemple)

Calcul du décalage spectral relatif avec résultat correct, résultat sans unité

z = (502,2 – 500,7) / 500,7 = 3,0 x 10 – 3 (sans unité)

Interprétation du signe positif du décalage: éloignement de la galaxie

*

*

* *
*

Hypothèse v galaxie << c faite

Détermination du décalage spectral, unité correcte, ordre de grandeur donné

v= z. c = 3,0 x 10 – 3 . 3,0 x 10 8 = 9,0 x 10 5 m.s – 1 soit environ 10 6 m.s – 1

*

* * *


Une évaluation plus précise de cette vitesse aurait nécessité de faire la moyenne du décalage spectrale des différentes raies.

*


Rédaction, correction du langage, logique d'ensemble


Christophe Ginet GRD académie de Lyon




*

Compétences exigibles dans le programme:

L'effet Doppler.

Exploiter l'expression du décalage Doppler de la fréquence dans le cas des faibles vitesses.
Utiliser des données spectrales et un logiciel de traitement d'images pour illustrer l'utilisation de l'effet Doppler comme moyen d'investigation en astrophysique.




Christophe Ginet GRD académie de Lyon

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