La couleur des étoiles
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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. Centre de la Culture Scientifique, Technique et Industrielle de la Drôme 2 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 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 Centre de la Culture Scientifique, Technique et Industrielle de la Drôme Centre de la Culture Scientifique, Technique et Industrielle de la Drôme 3 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 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. Centre de la Culture Scientifique, Technique et Industrielle de la Drôme © PIG Images / 02 2001 Very large Telescope, Paranal ' ESO © PIG Images / 02 2001 Centre de la Culture Scientifique, Technique et Industrielle de la Drôme Centre de la Culture Scientifique, Technique et Industrielle de la Drôme 4 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 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 Centre de la Culture Scientifique, Technique et Industrielle de la Drôme Centre de la Culture Scientifique, Technique et Industrielle de la Drôme 5 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/