La couleur des étoiles

La couleur des étoiles
Fiche technique
Organisation générale
Exposition panneaux.
L’exposition « La couleur des étoiles » est constituée de 10 panneaux.
1. Contenu :
Pour découvrir comment les astronomes extraient de la lumière les informations
sur la nature, la composition, … des objets qui peuplent l’Univers. Pour admirer les
draperies d’hydrogène dans lesquelles naissent les étoiles, les violents et colorés
vents stellaires, traces de leur mort …
2. Descriptifs de l’exposition :
L’exposition « La couleur des étoiles » est constituée de 10 panneaux (1 par thème) :
Nature de la lumière
Emettre la lumière
Les étoiles sont des « corps noirs »
L’analyse spectrale livre la composition chimique des étoiles
Naissance d’étoiles dans Orion
Naissances et vies des étoiles
Draperies
Mort des étoiles
Morts cataclysmiques
Couleurs de fuite
3. Données techniques :
L’exposition est composée de panneaux qui peuvent :
- soit être disposés dans une ou plusieurs salles ;
- soit prendre place dans un espace de configuration particulière.
Les panneaux sont semi-rigides et montés sur support ; structures autoporteuses.
Dimensions des panneaux : 2,10 m x 0,8 m
1
Kasciopé - CCSTI de la Drôme
INEED Rovaltain TGV
1, rue Marc Seguin - BP 16118 Alixan
26958 Valence Cedex 9
Tél. 04 75 57 79 80
Site : http://www.kasciope.org/
La couleur des étoiles
Cette modularité de l’exposition permet à de nombreuses structures de l’accueillir.
Surface minimum : 80 m2
Outils complémentaires
1. Accompagnement :
Kasciopé peut organiser autour de l’exposition une conférence avec les scientifiques, ainsi que des cafés
sciences ; un café science junior peut être organisé dans votre établissement sur un thème lié au contenu
de l’exposition.
Kasciopé propose des expériences de physique sur le thème de la couleur
et de la lumière :
Synthèse additive des couleurs
Disque de Newton
Observation de la diffusion de la lumière
Spectre de raies
Spectre continu
Nature de la lumière
Les astronomes ne disposent que d’un type d’informations :
la lumière.
Dans l’Histoire …
Aristote (-384, -322) : la lumière doit
aller du blanc au noir, d’après
une suite observable
dans la journée : le blanc
du midi passe au jaune
puis à l’orange et au rouge.
Le crépuscule passe du violet
pourpre au bleu très foncé
du ciel nocturne.
Une composante verte, fugitive
apparaît parfois au coucher
du Soleil.
Pythagore (vers –550) : suppose
une harmonie dans la répartition
des couleurs, de même nature
que celle qu’il croit voir
dans la position des planètes
entre la Terre et les étoiles.
2. Public :
Scolaire : à partir de 16 ans.
Grand public
Newton (1704) : la lumière blanche
est le résultat du mélange
de toutes les couleurs de l’arc-en-ciel.
Fraunhoffer (1815) : le spectre solaire
obtenu par la décomposition
de la lumière par un prisme montre
une série de raies sombres superposées
au fond coloré.
La lumière est une onde électromagnétique.
Elle est caractérisée par sa longueur d’onde λ
(la distance entre les deux crêtes de la " vague ")
ou par sa fréquence ν (nombre de crêtes
de ces " vagues ", pour reprendre l’analogie
aquatique, arrivant sur la rive chaque seconde).
Dans le vide, la lumière se propage à 300 000 km/ s.
L’énergie que transporte une onde électromagnétique
augmente avec sa fréquence.
3. Mise en place :
L’exposition est installée par la structure d’accueil.
© PIG Images / 02 2001
4. Conditions d’accueil :
La structure d’accueil contracte une assurance « de type clou à clou ».
La structure d’accueil prend en charge :
- la location mensuelle (gratuit dans le département de la Drôme
– autres, nous consulter). La durée minimale de mise à disposition est de
un mois,
- l’édition des documents de communication,
- le transport aller/retour de l’exposition.
La lumière visible est constituée d’un très grand nombre
de radiations monochromatiques dont les longueurs d’ondes
sont comprises entre 0,4 et 0,8 microns.
Elle ne constitue qu’une très faible partie de ce vaste groupe
de radiations qui va des rayons gamma, de très hautes énergies,
aux ondes radar.
La lumière blanche est le résultat de la superposition de l’ensemble
des radiations monochromatiques émises par le Soleil.
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Kasciopé - CCSTI de la Drôme
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La couleur des étoiles
Emettre de la lumière
Les astronomes ne disposent que d’un type d’informations :
la lumière.
D
ans la matière la production
d’énergie lumineuse se fait
grâce aux électrons.
1
Les étoiles sont des corps noirs
Un électron ne peu occuper
que des orbitales bien définies
autour du noyau.
Descendant des niveaux , il restituera
la différence d’énergie sous forme
de grains de lumière, ou photons,
d’une longueur d’onde déterminée.
2
e-
Etat stable
eLes astronomes ne disposent que d’un type d’informations :
la lumière.
L
es étoiles sont des corps
incandescents. Elles brillent
car elles sont très chaudes ….
Etat excité
Ainsi pour chaque élément chimique il existe
un " code barre " optique qui le caractérise :
son spectre de raies.
… Elles sont chaudes
car formées de gaz comprimé
(hydrogène et hélium
principalement)…
Spectre continu : dans un spectre de type continu,
il y a émission d'énergie lumineuse de manière continue,
à chaque longueur d'onde.
Il s'agit essentiellement des sources thermiques, qui utilisent
la chaleur pour exciter les électrons. C'est le cas des étoiles.
… Le gaz est comprimé
par son propre poids…
…tellement comprimé
que dans le cœur d’une étoile,
comme le Soleil, la température
atteint 13 millions de degrés
qui permet de provoquer
la fusion de l’hydrogène
en Hélium.
Spectre de raies : ce type de spectre présente de nombreux trous,
dans lesquels aucune énergie lumineuse n'est émise.
Les sources luminescentes (comme un tube à néon) émettent
généralement un spectre discontinu.
La surface des étoiles,
la photosphère, est chauffée
par l’énergie formée dans leur cœur
thermonucléaire.
L’analyse spectrale livre la
composition chimique des étoiles
Hubble Space Telescope ' NASA- ESA
Transmise par des photons gamma,
puis par convection cette énergie est émise
à la surface sous forme de lumière visible.
l
Les astronomes ne disposent que d’un type d’informations :
la lumière.
Corps noir
Le Soleil est entouré
Loi de Wien :
λ.t=Cste
Les physiciens appellent “ corps noirs” les corps
qui ré-émettent la totalité de l’énergie qu’ils ont
précédemment absorbée, mais à une fréquence
plus basse…
λm
d’une atmosphère, la couronne,...
… les raies sombres observées
par Joseph Fraunhoffer en 1815
nous livrent la composition
chimique (en masse) de notre
étoile :
73% d’hydrogène,
25% d’hélium,
2% d’éléments lourds.
L’abondance d’éléments lourds
comme le fer dans son spectre
situe le Soleil comme une étoile
de 4ème ou 5ème génération.
A l’inverse les étoiles de cet amas
globulaire sont très pauvres
en éléments métalliques.
Elles ont été formées parmi
les premières de l’univers.
λ
… Les étoiles sont des corps noirs !
Le profil «corps noir» du spectre des étoiles nous livre
leur température :
20 000°
Spica
10 000°
Sirius
6 000°
4 500°
Soleil
Arcturus
3 000°
Image du Soleil obtenue dans l’ultraviolet
lointain par la sonde SOHO' ESA
© PIG Images / 02 2001
L’amas globulaire M15 est formé de dizaines
de milliers de très vieilles étoiles.
Les plus brillantes sont des géantes rouges.
Les étoiles de M15 ont un âge évalué à environ
12 milliards d'années.
Centre de la Culture Scientifique, Technique et Industrielle de la Drôme
Elles font partie des premières générations d'étoiles
qui se sont formées dans la Voie Lactée.
Notre Soleil, par comparaison, est jeune :
4,6 milliards d'années.
Hubble Space Telescope ' NASA- ESA
L
e carbone, l’oxygène, l’azote,
éléments essentiels de la chimie
de la vie sont formés dans le cœur
thermonucléaire des étoiles géantes
rouges comme Bételgeuse,
dans la constellation d’Orion.
Hubble Space Telescope ' NASA- ESA
© PIG Images / 02 2001
Atmosphère de Bételgeuse
© PIG Images / 02 2001
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La couleur des étoiles
Naissance d’étoiles dans Orion
Les astronomes ne disposent que d’un type d’informations :
la lumière.
L
es nébuleuses produisent
principalement des spectres
de raies nous renseignant sur
leur nature, leur composition
et les conditions physiques
qui y règnent.
Nuage géant de gaz illuminé
par le rayonnement U-V de jeunes
étoiles très lumineuses et très chaudes.
La grande plume de gaz dans la partie
supérieure gauche de cette image
est le résultat de l'éjection de matière
d'une étoile récemment formée.
Pour ces gaz ionisés, la couleur indique
Naissance et vie d’étoiles
l’origine chimique :
vert pour l’hydrogène,
Hubble Space Telescope ' NASA- ESA
bleu pour l’oxygène
et rouge pour l’azote.
Les astronomes ne disposent que d’un type d’informations :
la lumière.
Cinq jeunes étoiles.
Quatre des étoiles sont entourées par des disques
protoplanétaires.
Si l’on pouvait placer
Le champ de l’image est de 0,14 années-lumière.
toutes les étoiles connues
à la même distance de la Terre,
on pourrait les ranger
dans ce diagramme :
les plus brillantes en haut
et leur température décroissant
de gauche à droite.
Hubble Space Telescope ' NASA- ESA
La grande majorité des étoiles
se placent dans une diagonale
allant de naines rouges (en bas
à droite) aux supergéantes
bleues : la "séquence principale".
C’est la plus longue partie
de leur vie, pendant laquelle
elles brûlent leur hydrogène
en hélium.
Très jeune étoile (entre 300 000 et un million d'années)
entourée par le matériau résiduel de sa formation.
L'étoile faible, rougeâtre a une masse du cinquième
de celle du Soleil.
Le disque sombre est un disque dans lequel des planètes
se formeront.
Draperies...
Masse : sept masses terrestres.
Quand la réaction s’étouffe,
l’étoile s’effondre allumant
l’hélium de son cœur,
la production d’énergie redémarre.
Elle devient une Géante Rouge
(en haut à droite).
Diamètre : 90 milliards de kilomètres.
Hubble Space Telescope ' NASA- ESA
Les astronomes ne disposent que d’un type d’informations :
la lumière.
Ce stade court se terminera
par une phase explosive,
d’autant plus dramatique que l’étoile
est massive.
Nébuleuse brillante et sombre
en association avec un amas d’étoiles
Hubble Space Telescope ' NASA- ESA
très jeunes et massives.
Après, une étoile comparable au Soleil
(centre du diagramme), s’éteindra doucement
en "Naine Blanche".
L’analyse de ce diagramme donne aux astronomes
une relation "masse-rayon-luminosité" des étoiles,
tout en fournissant grâce au type spectral des indicateurs
de distance.
Ce nuage d’hydrogène moléculaire
est entré dans un processus
de destruction par le rayonnement
ultraviolet intense des étoiles massives
et chaudes du groupe stellaire voisin
(à gauche de la photo).
L'émission de lumière dans la raie
Générations multiples d’étoiles dans la Nébuleuse de la Tarentule
spectrale H-alpha de l'hydrogène
Hodge 301 à l'intérieur de la Nébuleuse de la Tarentule.
de la nébuleuse.
est responsable de la couleur rouge
Beaucoup parmi les étoiles de Hodge 301 sont si vieilles et massives
qu'elles ont éclaté en supernovae.
Le halo bleu entourant les géantes
Elles ont éjecté de la matière à de très hautes vitesses.
bleues au centre est dû à la diffusion
Des ondes de choc labourent la nébuleuse environnante, choquant et comprimant le gaz
de la lumière de l’étoile par des poussières
dans une multitude de draperies et filaments.
microscopiques.
2,2m Telescope, la Silla ' ESO
Image 9,7 Méga
Egalement présentes près du centre de l'image : la partie centrale de petits et denses globules
gazeux, et des colonnes de poussière où de nouvelles étoiles se forment aujourd'hui.
© PIG Images / 02 2001
Caméléon I, près du Pôle Céleste Sud.
Nébuleuses brillantes diffusant et réfléchissant
la lumière d’étoiles chaudes.
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© PIG Images / 02 2001
Very large Telescope, Paranal ' ESO
© PIG Images / 02 2001
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Morts d’étoiles
Les astronomes ne disposent que d’un type d’informations :
la lumière.
Nébuleuse Planétaire du Papillon
Vers la fin de leur vie, les étoiles
perdent leurs couches extérieures
dans un fort "vent stellaire",
avant de se contracter en "Naines
Blanches".
Les restes ont une surface portée
à des températures de plusieurs
dizaines de milliers de degrés.
Leur puissant rayonnement ultraviolet
a pour effet d'ioniser le gaz
précédemment éjecté, qui devient alors
luminescent avant de se disperser
dans l'espace interstellaire.
Morts cataclysmiques
Very large Telescope, Paranal ' ESO
Les astronomes ne disposent que d’un type d’informations :
la lumière.
Eta Carina
Nébuleuse Dumbell
Vers 1841, Eta Carinae est devenu
Nébuleuse planétaire typique,
une des étoiles les plus brillantes
dans la constellation du Petit Renard.
du ciel au cours d’une explosion
Pour cette image trichromique,
géante. Située à 7 500 années-lumière,
une exposition courte a été d'abord
elle a une masse évaluée à 100 fois
faite derrière un filtre à large bande
celle du Soleil.
en lumière bleue.
Des étoiles si lourdes brûlent
Elle a été alors combinée
leur hydrogène exceptionnellement
avec des clichés pris avec des filtres
vite, et deviennent un million de fois
sélectionnant les radiations
plus brillantes que le Soleil.
de l’oxygène deux fois ionisé
Après une vie brève, elles disparaissent
et de l'hydrogène atomique.
en supernovae.
Ce qui arrivera à Eta dans 100 000 ans.
Les trois images ont ensuite été
Elle subit actuellement des explosions
codées respectivement
géantes au moins une fois chaque
comme de couleur "bleue", "verte"
millier d’années pendant lesquelles
et "rouge", et ensuite combinées.
Couleur de fuite...
elle perd une énorme quantité
de matière.
Cette photo montre les restes
de l'explosion la plus récente qui a eu lieu
Very large Telescope, Paranal ' ESO
Very large Telescope, Paranal ' ESO
autour de 1841.
Les astronomes ne disposent que d’un type d’information :
la lumière.
Sur le côté gauche, les particularités isolées
et faibles ont été éjectés au 15ème siècle,
environ 400 ans plus tôt,
L
e décalage des couleurs
renseigne sur le déplacement
de la source lumineuse :
vers le bleu si elle se rapproche
et vers le rouge si elle s’éloigne.
Ce décalage est d’autant plus
important que la vitesse
de l’astre est grande.
La mesure de ce "décalage
Doppler", associé à l’évaluation
des distances des galaxies,
a permis à l’astronome
américain Edwin Hubble
de montrer en 1930
que l’ensemble des galaxies
s’éloigne de nous :
c’est l’expansion de l’Univers
qui est ainsi observée
pour la première fois.
pendant une explosion semblable à celle
de 1841.
Nébuleuses Dentelles du cygne
Faible partie d’un cataclysme stellaire : le résultat
de l’explosion il y a environ 15 000 ans d’une supernova.
La bulle de matière très chaude issue de la supernova,
a récemment frappé un nuage d’hydrogène.
Cette collision produit des ondes de choc qui chauffent le gaz
interstellaire, le faisant rougeoyer.
Hubble Space Telescope ' NASA- ESA
Les régions en bleu sont composées d’oxygène deux fois ionisé,
elles sont situées en arrière de l’onde de choc. Le rouge correspond
à l’émission du souffre ionisé une fois, milieu gazeux placé loin en arrière
du front d’onde, et qui a eu le temps de refroidir.
Le vert signale l’hydrogène. Une grande partie de son émission vient
d’une zone extrêmement mince immédiatement derrière le front de choc
lui-même.
PPLER
A
λ
DOPPLER
s
λ
B
λ+v.t
S1
S2
DOPPLER
λ−v.t
© PIG Images / 02 2001
Grand Attracteur
Sur cette image, les étoiles du premier plan
appartiennent à la Voie Lactée.
On voit un grand nombre de galaxies.
Centre de la Culture Scientifique, Technique et Industrielle de la Drôme
Elles forment la partie centrale d’un groupe énorme
(ACO 3627) nommé le " Grand Attracteur "
à une distance d'environ 250 millions d'années-lumière.
2,2 m Telescope, La Silla ' ESO
Spectre de galaxie à très grand décalage
vers le rouge.
Spectre de galaxies si éloignées que la plongée dans le passé correspondant
Very large Telescope ' ESO
à leur observation est de plus de 90 % de l'âge de l'Univers, maintenant évalué
à environ 14-15 milliards d'années.
L’éclat des objets étudiés se situe entre des valeurs de 10 à 65 millions de fois
© PIG Images / 02 2001
plus faibles que ce que l'on peut voir à l’œil nu.
© PIG Images / 02 2001
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