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O l y m p i a d e s d e P h y s i q u e 2 0 0 8

Comment étudier les Petits Corps du Système

Solaire en restant sur Terre ?

J e a n n e r o d F l o r i a n / T i s s o t S y l v a i n

A c a d é m i e d e B e s a n ç o n P o n t a r l i e r / L y c é e X a v i e r M a r m i e r

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Résumé

Les Petits Corps du Système Solaire : une appellation bien vague pour la plupart des gens. Mais il s’agit tout simplement de tout ce qui compose notre Système Solaire si l’on met de coté le Soleil lui-même et les planètes. Il reste une myriade de corps allant de plusieurs milliers de kilomètres de diamètre jusqu’à des particules invisibles à l’œil nu, les micrométéorites. L’étude de ces corps est primordiale si l’on veut percer les mystères de nos origines, car les scientifiques ont retrouvé à l’intérieur de nombreux acides aminés, les composants de base de l’ADN, donc de la vie ! Mais si ces corps auraient pu donner la vie, ils peuvent aussi la reprendre : par exemple on retrouve dans le sol une couche géologique fine, composée d’organismes carbonisés et d’éléments caractéristiques de débris extraterrestre, et la datation de cette couche correspond à la période d’extinction des dinosaures… si une telle catastrophe se reproduisait, l’humanité n’y survivrait pas. Ainsi l’étude de la trajectoire des plus gros Petits Corps doit être réalisée si l’on veut déceler d’éventuelles menaces pour notre planète.

L’an passé, nous nous étions déjà intéressés aux micrométéorites lors des Travaux Personnels Encadrés. Cela nous avait donné l’occasion d’approcher ce domaine, et cette année pour les Olympiades de Physique, nous nous sommes vraiment investis dans le projet en lui donnant plus de rigueur et en l’élargissant à l’étude des astéroïdes. Ainsi dans un premier temps nous avons essayé de récolter des micrométéorites, car il en tombe des milliers de tonnes par an sur Terre :

• Les micrométéorites tombant dans notre atmosphère et étant entrainées au sol par la pluie, nous avons observé sans résultat le fond d’un récupérateur d’eau de pluie.

• Ensuite nous avons réalisé un tri magnétique de l’eau de pluie ruisselant d’une bâche nylon tendue à l’extérieur, mais là encore, aucune poussière cosmique

• La troisième expérience fut la bonne, en appliquant ce tri magnétique à l’eau collectée sur une plus grande surface comme un toit, et là de nombreuses sphérules (forme caractéristique des micrométéorites) étaient présentes.

• Une autre méthode consistait à balayer de la neige dans un champ avec un ‘traineau magnétique’ récupérant toutes les particules ferreuses à la surface, mais rien ne fut trouver.

• Pour finir, la fonte de ce manteau neigeux a enfin révélé les sphérules recherchées. Une fois triées et réparties en catégories, la comparaison de nos sphérules avec celles trouvées en Antarctique par les scientifiques montre une ressemblance flagrante, mais une fois notre flux de micrométéorites calculé, il était supérieur d’un facteur 109 à celui calculé par les scientifiques, rien qu’en prenant en compte les sphérules que nous avons classé dans la catégorie « ferreuses », signe que nos sphérules ne pouvaient êtres toutes des micrométéorites. Nous les avons donc fait analyser, et en effet nombre de nos sphérules étaient de la pollution. Quant à celles restantes, rien ne nous permet de dire si elles sont extraterrestres ou terrestres d’après l’analyse de surface. Il aurait fallu réaliser des coupes transversales, mais cela était trop onéreux.

Le deuxième point sur lequel nous avons travaillé a été la photométrie d’astéroïde, c'est-à-dire la détermination de la période de rotation de ces corps grâce à leur luminosité. Nous avons créé un modèle mathématique pour observer la courbe de lumière que nous aurions obtenu avec un astéroïde ellipsoïdal parfait. Et en le confrontant avec une simulation faite avec des pommes de terre, nous avons constaté que les deux expériences coïncidaient : cela nous a permis de nous lancer dans l’observation au télescope de l’astéroïde 349 Dembowska, dont nous avons retrouvé la courbe de lumière correspondant à une ellipsoïde, et la période trouvée correspond bien à la rotation officielle.

Nous espérons que notre sujet vous intéressera tout comme il nous a passionnés.

Bon voyage !

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Plan

Résumé………………………………………………….p2

Introduction…………………………………………………………p 4

I°) Que sont ces petits corps ?..........................................p 4 -1 Récapitulatif de la formation du Système Solaire…………………………………………….p 4 -2 Répartition de quelques Petits Corps......................p 5

II°) Une méthode d’étude, les micrométéorites………....p 6 -1 Récoltes de micrométéorites……………………...p 6 -2 Observation et exploitation des échantillons……..p 9

-3 Comparaison avec d’autres échantillons…………p12 III°) Photométrie d’astéroïde …………………………..p21

-1 Simulation mathématique d’astéroïde…………....p20 -2 Une analogie avec une pomme de terre………….p22 -3 Photométrie réalisée sur l’astéroïde 349 Dembowska………………………………………p24

Conclusion……………………………………………...p27

Annexe………………………………………………….p28

Bibliographie…………………………………………...p31

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Depuis notre Terre, le restant du système solaire nous paraît lointain et étranger, et nous avons les plus grandes difficultés à l’explorer, tant sur le plan financier que technique.

Alors comment pourrions-nous faire pour étudier les Petits Corps du Système Solaire tout en restant sur Terre, et ceci à notre niveau ?

Dans un premier temps nous allons définir ces corps et les situer dans le Système Solaire de manière à avoir une base de connaissance. Puis nous verrons différentes tentatives pour essayer de récolter des débris de ces astres sur Terre sous la forme de micrométéorites. Et enfin, comme des échantillons ne suffisent pas à rendre compte d’un corps dans sa globalité, nous passerons du microscopique au macroscopique avec l’observation d’un astéroïde et les problèmes que cela engendre, dans le but d’en déterminer la rotation.

I°) Que sont ces petits corps ?

-1 Récapitulatif de la formation du Système Solaire

Il y a 4,6 milliards d’années, un nuage de gaz interstellaire s’effondra sur lui-même, et à cause de sa propre gravité, il se condensa en ‘grumeaux’ comme ceux visibles sur l’image (1). Et ces grumeaux ont fini par donner naissance à des étoiles, dont notre Soleil. Ensuite les poussières restantes se stabilisent autour du Soleil sous la forme d’un disque ‘protoplanétaire’ de plus en plus fin, voir l’image (2). A cause de la chaleur de notre étoile, le gaz ne peut subsister à sa proximité, il va donc migrer vers l’extérieur du Système, tout comme les glaces qui se subliment, laissant majoritairement des roches dans la partie interne, représentées en brun sur le schéma (3). Puis à cause de leur gravité, roches, glaces, et gaz s’agglomèrent pour donner des embryons de planètes, les ‘planétésimaux’ qui étaient au nombre d’une centaine. Mais perturbations gravitationnelles, excentricité, et vitesses relatives généralement dissemblables font que ces planétésimaux se percutent violement : leur énergie cinétique se transformant en chaleur, les aggloméras se réchauffent et fondent (4) si bien que les matériaux qui les composent migrent suivant leur densité : c’est la différentiation (5).

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-2 Répartition de quelques Petits Corps

Les Petits Corps du Système Solaire sont, d’après la nouvelle définition de l'Union Astronomique Internationale, tous les corps autres que les Planètes, les Planètes Naines et les satellites. Donc les astéroïdes en font partie.

En 1772, l’astronome

allemand Johann Elert Bode confirma une loi du mathématicien Johann Titius, qui indique un moyen approximatif de calculer les distances relatives des planètes au Soleil : c’est la Loi de Titius-Bode.

R = 0,4 + 0,3x2n

Avec R correspondant à la distance planète/soleil en unité astronomique, et n le rang de la planète en prenant 1 pour la Terre. Grace à cette loi, Bode s’est aperçu que le rang 3 n’était pas attribué, il y avait une lacune. C’est pourquoi il soupçonna l’existence d’une planète non encore découverte. C’est l’astronome sicilien Giuseppe Piazzi qui combla ce vide le 1er janvier 1801 avec la découverte de Céres dont il calcula la distance au soleil, 2,8 UA, ce qui correspond bien à la loi de Titius-Bode.

Quelle fut sa surprise en découvrant que Cérès n’était pas le seul objet gravitant entre Mars et Jupiter ! Il ne s’agissait plus d’une planète, mais d’une multitude de corps : les astéroïdes. Environ 90 000 astéroïdes sont recensés à l'heure actuelle dans cette zone nommée Ceinture Principale. Leurs tailles varient de la centaine de mètres au millier de km pour Cérès, le plus gros d'entre eux. Viennent ensuite Vesta et Pallas. On estime à environ un million le nombre d'astéroïdes de plus de 1 km de diamètre. Mais la masse totale de ces objets est seulement de l'ordre de 1/1000 de celle de la Terre.

Dans la Ceinture Principale, les collisions sont extrêmement violentes et généralement destructrices. On estime que les astéroïdes subissent une collision tous les milliards d'années : ils se disloquent et des morceaux peuvent même se diriger vers la Terre… en entrant dans notre atmosphère, ils deviennent des ‘météores’ ou ‘météorites’. Ces dernières sont donc représentatives de la composition chimique différentiée des astéroïdes : 93% d’entre elles sont de nature pierreuse, et les 7% restants sont soit entièrement métalliques, soit pierreuses/métalliques.

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II°) Une méthode d’étude, les micrométéorites

-1 Récoltes de micrométéorites

Après ce bref récapitulatif posant une base pour la suite, nous avons voulu chercher ces météorites pour en savoir plus sur les Petits Corps. Quand ceux-ci tombent sur Terre à de très grandes vitesses (15km/s), ils sont freinés par l’atmosphère : l’air autour du bolide atteint une température de plusieurs millier de degrés, formant du plasma. C’est pour ça que la nuit nous voyons parfois des ‘étoiles filantes’. On estime qu’en moyenne, sur les 11 mille tonnes de météorites tombant chaque année sur Terre, plus de la moitié (6 mille tonnes) sont si petites qu’on ne les remarque même pas : les micrométéorites.

Or si les grosses météorites tombent rarement et ponctuellement, 6 mille tonnes de particules micrométriques doivent forcément se répartir de manière équitable sur la surface de globe : nous avons donc plus de chance de trouver des micrométéorites que des gros bolides. Mais comment identifier ces particules ?

• Tant que les météores sont gros, l’échauffement atmosphérique n’altère que leur surface.

• Plus ils deviennent petits, plus ils vont avoir tendance à se dégrader, si bien qu’environ 2/3 des micrométéorites sont vaporisées dans l’atmosphère, et retomberaient sous forme quasi atomique et/ou sous forme de condensat de très petite taille (probablement < 1 µm).

• Le tiers restant des micrométéorites est soit totalement fondu sous forme de sphérules de l’ordre du micromètre qu’une fois au sol elles gardent leur aspect sphérique. Soit les particules sont si petites qu’elles ne sont pas affectées par l’atmosphère et retombent intactes.

Ainsi les particules que nous avons recherchées durant nos cinq expériences pouvaient se

distinguer des autres poussières par leur forme caractéristique de sphérule.

Expérience 1 (le récupérateur d’eau de pluie) :

Les micrométéorites pouvant être considérées comme des poussières, et la pluie entrainant au sol les grosses particules atmosphériques, nous avons dans un premier temps suspecté les récupérateurs d’eau de pluie de renfermer les précieuses météorites :

• Les particules de surface s’avèrent être du sable en suspension, provenant probablement du Sahara.

• Les particules grossières au fond sont des morceaux de tuile.

• Les particules fines au fond forment une sorte de boue, qui une fois débarrassée des micro-organismes présents et autres cellules, est en réalité du sable et de la tuile.

Aucunes sphérules visibles, et même s’il y en avait eu, la quantité trop importante de tuile et

de sable nous aurait empéché de les voir.

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Expérimental 2 (la bâche nylon) :

Nous avons installé une bâche en nylon d’environ

2,5m² dans un patio du lycée, fixée par deux planches, quatre briques et quelques clous. Nous avons percé la toile en son centre et accrochés deux poids de chaque côté, de façon à ce que l’eau puisse s’évacuer en ce point. Pour ne plus retrouver le sable, nous avons décidé de procéder à un tri magnétique des poussières, de manière à n’obtenir que les 7% métalliques. Ainsi un aimant emballé dans du film cellophane, posé au fond d’une bouteille plastique (préalablement entaillée à sa base pour l’évacuation de l’eau) a été positionné sous le trou de la bâche pour que l’eau de pluie puisse s’écouler librement sur l’aimant.

Après 3 à 4 semaines d’attente, nous avons délicatement retiré le film de l’aimant, et déposé les

particules dans une boîte de pétri : • Aucune sphérule, nous attribuons l’échec à la superficie trop petite de la bâche, ou alors à son

instabilité.

Expérience 3 (bouteille en sortie de gouttière) :

Toujours en gardant le système de tri

magnétique, nous sommes revenus à l’utilisation de grande surface collectrice, en l’occurrence un toit. En reprenant l’Expérience 1, en ajoutant un système de bouteille canalisant l’eau sur un aimant emballé de film, et en l’appliquant dans deux lieux différents, l’on obtient en quelques semaines deux résultats opposés :

• Avec un gros débit, en utilisant les toits en tôle du lycée, on n’observe que de gros débris oxydés, pas de sphérules qui de toute manière ont dû être emportées par le débit.

• Avec un débit lent, en utilisant le toit en béton d’un petit garage, l’on remarque enfin des sphères de différentes couleurs dans les échantillons!

Expérience 4 (traineau aimanté sur neige) :

Au lieu de récupérer les micrométéorites dans l’eau de pluie, nous avons aussi essayé de les retrouver sur des champs de neige, de manière à ce que nos échantillons soient les plus purs possible. Tout d’abord le lieu de récolte est situé à la campagne et isolé des habitations (raison de plus pour tenter l’expérience).

Pour balayer de grandes surfaces, il a fallu un système mobile et aimanté : un ‘traineau’ fait de deux barres de bois, de roues lui permettant d’avancer, et d’aimants Géomag qui offrent la possibilité d’avoir une grande longueur attirante. Ces derniers doivent être très proches du sol, quelques millimètres, pour capturer les poussières. Nous avons attendu deux semaines pour que les poussières aient le temps de se déposer, puis nous sommes partis à la chasse. Aucun résultat :

• La surface enneigée, qui n’est pas parfaitement plane, frotte contre les aimants, décrochant les particules magnétiques…

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• Ou alors, comme la température a été positive certains jours, la neige en fondant légèrement a capturé les sphérules et les a entraînées sous la surface.

Expérience 5 (fonte du manteau neigeux) :

Comme son nom l’indique, il s’agit de prélever la surface de la dernière couche neigeuse sur laquelle les poussières ont eu le temps de se déposer, puis de la faire fondre et de faire un tri magnétique des poussières contenues.

En réalisant une coupe du manteau neigeux, l’on remarque une première couche A de 27 cm de hauteur, avec sa surface A* ayant fondu puis gelé. Ensuite il s’est déposé par-dessus une autre couche, B, de 13 cm de hauteur. C’est celle-ci qui nous intéresse, car pendant deux semaines elle n’a pas été altérée et les poussières s’y sont déposées. Or le mauvais temps arrivant, l’on ne pouvait pas attendre d’avantage avant de récolter. Nous n’avons pas récupéré toute la couche B, car les poussières se déposent en surface, mais nous avons tout de même pris les premiers centimètres, à cause du vent qui crée des congères et un certain resurfaçage du terrain.

Dans un premier temps, une zone a été délimitée, en prenant soin de ne pas marcher à l’intérieur, puis avec des pelles nous avons récupéré la précieuse poudre blanche, en remplissant des barils en plastique. Surface de 6 x 6 mètres soit 36m² de récolte Volume récolté : 4 barils de 180 litres soit 720 litres (ou 720 dm³ donc 0,720 m³) de neige. Hauteur de prélèvement = Volume/Surface = 0,720 / 36 = 0,02 m (ou 2cm). Le contenu de ses derniers a fondu en 3 jours, et avec un aimant emballé dans du film, un tri magnétique a été réalisé : une fois les aimants sortis de l’eau, nous avons délicatement déballé le cellophane. Comme la boîte de pétri qui servait à rassembler les échantillons était placée sur des aimants, une fois le film à proximité, un léger bruit de choc nous indiquait que toutes les particules étaient bien dans la boite, donc pas de perte.

• L’observation des échantillons révèle des centaines de sphérules noires. • Impossible de les compter précisément car l’aimant les a tant magnétisé qu’elles se sont

agglomérées entre elles, et agglomérées aux débris inintéressants dont il a fallu se débarrasser.

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-2 Observation et exploitation des échantillons Loupe binoculaire (x60) :

En s’armant d’une loupe binoculaire (ci contre) et de beaucoup de patience, nous avons réussi à identifier de nombreuses sphérules parmi nos échantillons. La première chose que nous avons voulu faire fut de les classifier pour savoir à quoi nous avions exactement affaire, car elles n’étaient pas toutes semblables. Pour ceci, il fallait les regrouper toutes de manière à

avoir une vue d’ensemble, or ceci n’est pas aisé car ces poussières sont très petites, un examen sur une lamelle micrométrique nous a montré qu’elles mesurent dans le meilleur des cas 50 micromètres de diamètre. Ainsi nous avons utilisé le bout d’une épingle pour les capturer : un simple contact les lie à l’épingle grâce au magnétisme qu’elles ont hérité suite à leur séjour sur l’aimant, et une légère secousse les libère. D’ailleurs comme il est dit plus haut, dans le cas de l’expérience 5 les aimants Géomag (petits mais puissants) ont tellement magnétisé les sphérules qu’approcher une aiguille les aurait toutes fait se coller après, donc nous les avons noyé sous l’eau de manière à ce que la tension de surface les empêche de suivre l’aiguille lorsqu’on la retire. A l’inverse, certaines sphérules n’étaient quasiment pas attirées par l’aiguille, ce qui nous fait penser que l’expérience 3 a aussi piégé des poussières non ferreuses. Un petit lot a donc été composé, et une caméra reliée à un ordinateur a permis de réaliser quelques clichés des échantillons.

A la loupe binoculaire on distingue nettement différents types de particules. Cela dit, il n’existe aucun classement scientifique de référence pour les micrométéorites. Chaque équipe de chercheurs a ses propres critères : par exemple, le Dartmouth College (New Hampshire, USA) en compte 12 alors que Michel Maurette, (scientifique français spécialiste dans le domaine), en dénombre plus de 150… Nous les avons donc nous aussi trié suivant nos critères, c'est-à-dire la couleur et l’aspect. Le tableau des pages suivantes résume nos observations.

De plus, grâce à une grille de comptage que nous avons réalisé, il a été possible de les compter

une par une (expérience 3), d’abord dans l’échantillon contenant uniquement les micrométéorites, puis dans l’échantillon initial où il restait un certain nombre de sphérules : cela dit, les plus petites ne peuvent êtres comptées avec précision à cause des autres particules qui les cachent.

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Micrométéorite observée

Nom et occurrence

Caractéristiques observées

Spécificité Photo spécifique

« ferreuse » 50 % car de couleur noire carbonée, et apparence de métal (Elles représentent 100% des sphérules de l’expérience 5)

Elles sont de loin les plus nombreuses dans nos échantillons. Elles sont _soit parfaitement lisses, _soit granuleuses, _soit tachées de nuances de gris

Parfois, elles sont regroupées en chaînes, probablement par leur magnétisme résiduel…

« boule de neige » 25 % nommées ainsi pour leur ressemblance avec la neige.

Elles sont assez nombreuses, mais de formes passant de la sphère simple à des formes plus bosselées

Parfois, des formes irrégulières

« or » 10 % de couleur brune

Elles paraissent vides, comme un tégument intact. (petit pois sans l’intérieur)

Parfois, des formes irrégulières

« verre » 15 % car translucides

« spermatozoïde extraterrestre » (négligées lors du comptage) à cause de leur ressemblance

Mensurations d’une micrométéorite moyenne (ici ferreuse)

Elles sont assez nombreuses, de forme variable, et de teinte variable

Parfois elles contiennent des bulles d’air, parfois elles sont comme cassées

Elles sont rares, et la sphère rattachée ressemble à une « verre »

Parfois de formes irrégulières, avec deux flagelles. Nous avons aussi récolté de longs filaments

Un carré de cette lamelle fait 50 x 50 µm. D’après nos calculs (annexe) : Volume micrométéorite = 523 333µm³ Masse micrométéorite type sidérite (métal) = 4,2 µg

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-3 Comparaison avec d’autres échantillons

Il n’est pas impossible que les poussières récoltées soient d’origine terrestre, sorties d’un haut fourneau ou d’une usine quelconque… Pour s’affranchir de cette pollution, le mieux est de récolter dans un endroit éloigné des grandes villes et en particulier des pôles industriels. Il n’y a pourtant pas de garantie, les aérosols pouvant voyager très loin avec les vents… Les scientifiques, quant à eux, ont choisi un des endroits les plus isolés sur Terre pour les étudier : l’Antarctique. Plusieurs techniques de récolte ont été expérimentées, avec leurs contraintes propres :

• Par exemple l’expérience Water Well at South Pole Station a consisté en la fonte à plus de 100 mètres de profondeur de quelques mètres cubes de glace. Les scientifiques ont ensuite introduit une turbine mettant en mouvement l’eau de manière à ce qu’elle atteigne 4°C, élargissant ainsi de plus en plus la poche d’eau. Actuellement, elle fait une vingtaine de mètres de diamètre, et des milliers de particules ont été récoltées indépendamment de leur composition et de leur aspect. Mais le fait qu’elles soient remuées continuellement dans l’eau entraine l’altération des micrométéorites friables, les plus précieuses car non altérées par l’atmosphère !

• Dans le cadre d’une autre mission, Concordia, une très belle collection de micrométéorites est en train de se constituer. Les scientifiques creusent une tranchée dans la neige pour accéder à des couches datant d’avant l’arrivée des infrastructures sur le site, prélèvent ces couches avec des pelles, et la font fondre hermétiquement au ‘bain Marie’, en 24 heures, pour limiter la contamination et la dégradation des échantillons. Ainsi ils ne récupèrent pratiquement que des poussières cosmiques, que ce soit des sphérules fondues ou des grains friables.

• Une dernière méthode consiste à observer les impacts de micrométéorites sur les engins spatiaux. D’ailleurs, les études effectuées par la NASA après l'incident de Columbia démontrent que les impacts de débris spatiaux représentent 11 causes sur les 20 principales pouvant conduire à la perte d'une navette et de son équipage, des impacts étant déjà survenus.

Les sphérules trouvées grâce à Water Well semblent visuellement correspondre aux nôtres. On retrouve les «ferreuse», les «boule de neige», Les «or», et les «verre». En apparence en tout cas. En connaissant la densité d’une météorite ferreuse, et en mesurant une micrométéorite « ferreuse », nous avons fait un rapide calcul (annexe) de leur flux, et nous arrivons au chiffre astronomique de 5,3 mille milliards de tonnes par an tombant sur Terre ! Les scientifiques se sont mis d’accord sur un flux de 6000 tonnes par an, toutes micrométéorites confondues, soit un facteur de 109 avec nos résultats. Donc quelque chose clochait dans nos échantillons, bien que la ressemblance apparente soit troublante.

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Microscope Electronique à Balayage (x600) : Dans un second temps, nous avons eu la possibilité d’observer nos propres échantillons grâce à

un microscope électronique à balayage de l’Université de Franche Comté, qui en plus de donner des images en haute résolution, permet aussi de les analyser : en effet le principe de ce microscope est d’envoyer des électrons sur les échantillons. Or en percutant les atomes de surface, certains électrons d’origine sont arrachés, créant un vide dans les couches où ils évoluent, et un autre électron d’origine situé sur des couches plus externes, redescendant dans les couches pour combler le vide, va dégager un rayon X spécifique de l’atome où il est en orbite, et un analyseur spécifique recevant ce rayon X est capable de retrouver le numéro atomique de l’atome d’origine.

L’inconvénient est que l’utilisation de cette machine est délicate, couteuse, et l’analyse prend un certain temps… nous n’y avions eu accès que pendant 6h, donc il a fallu choisir quoi analyser. Toujours avec une aiguille, nous avons prélevé une dizaine de sphérules pour chaque catégorie, pour ensuite les déposer délicatement sur une pastille carbone adhésive (une pour chaque sorte) d’un diamètre d’un centimètre. Il a aussi fallu sacrifier toutes les sphérules de l’expérience 5 car comme prévu, une fois l’aiguille approchée, seule la pastille adhésive aurait pu les séparer, ce qui a été le cas. Ensuite les pastilles furent recouvertes d’une couche de 25 nanomètres de carbone pour devenir conductrices, de manière à ce qu’il ne survienne pas de décharge électrique brutale.

Dès les premières images, qui étaient celles des micrométéorites « or », nous avons compris qu’en fait, elles étaient assez dissemblables de par leur surface tantôt lisse tantôt légèrement granuleuse. De plus, parfois il y a des grains à la surface de la sphérule, de composition chimique différente de la sphère elle-même, d’où l’intérêt de prendre le temps de la précision. Les résultats se trouvent sur les 5 pages suivantes.

Sphérule « 38% Si 41% Ca 13% Al 7% Mg Trop de Calcium pour que ce soit une particule extraterrestrefaible que le pic vraies micrométéorites c’est généralement l’inverse.

Sphérule « 36% Si 33% Ca 12% Fe et Al7% Mg Idem que pour la (1)

O

Mg

Al

Si

Ca

Ca

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O

Mg

Al

Si

K

Ca

Ca

Fe

Zn

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Sphérule « or » (1)

Trop de Calcium pour que ce soit une particule extraterrestre. De plus le pic de Magnésium est plus faible que le pic d’Aluminium, alors que dans les vraies micrométéorites c’est généralement

Sphérule « or » (2)

12% Fe et Al

Idem que pour la (1)

100

200

300

400

500

600

700Sphérule « 41% Si 38% Ca 14% Al 7% Mg Idem que pour la (1) et (2)L’on constate que ces troisde Silicium et de Calcium, ainsi que 7% de Magnésium. Or cette particule ne peut être que terrestre de par sa forme, donc les particules précédentes le sont aussi. D’ailleurs une telle quantité de SiliciuCalcium fait penser à du ciment…

Sphérule « 57% Si 27% Al C’est un aluminosilicate (de potassium et de calcium), donc une argilefeuillets est caractéristique de l’argile.

O

Mg

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SiCa

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Mg

Al

Si

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Ca

CaTi

Fe

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1100

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Sphérule « verre » (3)

Idem que pour la (1) et (2) : L’on constate que ces trois-ci ont entre 30 et 40 % de Silicium et de Calcium, ainsi que 7% de

Or cette particule ne peut être que terrestre de par sa forme, donc les particules précédentes le sont

D’ailleurs une telle quantité de Silicium et de Calcium fait penser à du ciment…

Sphérule « boule de neige » (4)

C’est un aluminosilicate (de potassium et de calcium), donc une argile. D’ailleurs sa structure en feuillets est caractéristique de l’argile.

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800 Sphérule 47% Si 22% Ti 17% Mg 10% Al 4% Ca Le pic de Magnésium est supérieur au pic d’Aluminium, ce qui est intéressant car comme dit plus haut, c’est le cas en général dans les particules extraterrestres, mais l’immense quantité de Titane indique une origine terrestre.

Sphérule « 69% Si 12% Al 9% K 7%Na Son spectre ressemble à s’y méprendre à celui d’un reste de micrométéorite trouvé sur un panneau solaire du télescope spatial Hubble.Cela dit, rien que l’aspect de la dire que c’est une particule terrestrestructure alvéolaire se serait forcément cassée dans l’atmosphère.

O

Na

Al

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Ca

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Sphérule « or » (5)

Le pic de Magnésium est supérieur au pic d’Aluminium, ce qui est intéressant car comme dit plus haut, c’est le cas en général dans les particules extraterrestres, mais l’immense quantité de Titane

origine terrestre.

Sphérule « boule de neige » (6)

Son spectre ressemble à s’y méprendre à celui d’un reste de micrométéorite trouvé sur un panneau solaire du télescope spatial Hubble. Cela dit, rien que l’aspect de la sphérule nous fait dire que c’est une particule terrestre : une telle structure alvéolaire se serait forcément cassée dans l’atmosphère.

Sphérule « 61% Fe 18% Si 10% Al 10% Mg C’est le spectre le plus susceptible de correspondre à unpic de Magnésium et l’absence d’éléments faisant penser à une origine forcément terrestre.

Sphérule «ferreuse» (expérience5) (8) 100% Fe Elle est apparemment creuse, comme semblent l’être un bon nombre des sphérules l’expérience 5de l’université de Lille 1dans les micrométéoritesMais une composition à 100% d’un seul élément est suspecte, jamais une météorite n’avait eu composition similaire.

O MgAl

Si

CaMn

Fe

Fe

0

100

200

300

400

500

600

700

800

5

O

Fe

Fe

Fe0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

1200

1300

1400

17

Sphérule « ferreuse » (7)

C’est le spectre le plus susceptible de correspondre à une sphérule cosmique de par son pic de Magnésium et l’absence d’éléments faisant penser à une origine forcément terrestre.

Sphérule «ferreuse» (expérience5)

Elle est apparemment creuse, comme semblent l’être un bon nombre des sphérules de l’expérience 5. Et d’après les électronographies de l’université de Lille 1, de tels creux existent dans les micrométéorites.

une composition à 100% d’un seul élément est suspecte, jamais une météorite n’avait eu composition similaire.

Nos sphérules « ferreuses »

Ressemblances de surface Micrométéorites (Antarctique)

Surface très lisse, malgré les petites particules de pollution présentes sur notre sphérule.

Surface granuleuse faisant penser à un aggloméra grains dans les deux cas, bien que les nôtres ressemblent plus à des confettis.

Présence de creux importants. On remarque des rainures qui se retrouvent sur un cliché de vraie micrométéorite ci après :

Formes géométriques, visibles aussi sur cet autre cliché de nos sphérules.

L’on retrouve aussi des systèmes de rainures, bien visibles sur l’électronographie de droite, on les devine sur celle de gauche, à cause du contraste moins bon du microscope.

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Micrométéorites (Antarctique)

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Notre dernière tentative pour essayer de déceler les particules extraterrestres avec leur simple composition a consisté à calculer la température de la micrométéorite dans l’atmosphère, pour voir si avec sa composition elle aurait pu fondre… Malheureusement, nos essais ont été infructueux car trouver cette température pourrait être le thème d’un autre sujet d’olympiade. Certes, en établissant une équation différentielle de l’accélération en fonction des forces s’exerçant sur la sphérule, l’on arrive facilement à trouver une vitesse limite de 3 mètres par seconde pour une « ferreuse ». Mais en convertissant la différence d’énergie cinétique en différence d’énergie interne, et avec différentes formules pour trouver la différence de température résultante, l’on trouve un delta T° en degrés kelvins d’environ 250 000, alors qu’en réalité il ne s’agit que de quelques milliers de degrés, d’où la complexité de la dissipation thermique. Comme paramètres difficiles à aborder, il y a notamment la dissipation de chaleur pas ionisation de l’air ambiant (c’est ce qui crée ‘l’étoile filante’), le temps de chute, la densité de l’atmosphère qui n’est pas constante, de même pour la pesanteur qui augmente durant la chute, etc.

L’idéal aurait été de réaliser des coupes transversales de nos échantillons, de manière à analyser l’intérieur des sphérules, intérieurs non contaminés par les méthodes de récolte, qui sont plus révélateurs quant à l’origine des particules. mais cela étant onéreux et long, nous n’avons pas pu le faire.

Pour conclure sur cette partie, nous pouvons dire que nous n’avons pas analysé de sphérules d’origine extraterrestre certaine, et c’est ce que conclue également une chercheuse travaillant sur le même sujet. D’ailleurs les scientifiques estiment le flux à 1 micrométéorite par an et par mètre carré. Nous avions donc peu de chance de réussir, en définitive, mais nous n’avons pas tout perdu ! En effet maintenant nous savons quelles sont les méthodes les mieux adaptées pour récupérer des sphérules atmosphériques : soit en réalisant un tri magnétique de l’eau en sortie de gouttière à petit débit, soit en faisant fondre la neige de surface qui a été exposée durant une longue période à la chute éventuelle de poussière cosmique. Et bien que nos analyses soient a priori négatives (‘a priori’ car il est très difficile de trouver d’autres spectres à comparer, et chaque particule extraterrestre est unique), peut-être que dans les particules diverses et variées que nous n’avons pas faites analyser, il se pourrait qu’une micrométéorite ait été présente. On peut dire que si aucun élément caractéristique d’une origine extraterrestre ai été trouvé dans nos échantillons (Nickel, Iridium), il n’y a pas non plus d’éléments caractéristiques d’une origine terrestre dans les sphérules ‘finalistes’. Le dernier point sur lequel nous voulons insister est quand même la ressemblance frappante avec les échantillons de l’USACE. Les couleurs sont les mêmes, et en comparant nos électronographies à celles d’échantillons trouvés en Antarctique, on s’aperçoit qu’il y a nombres de points communs du point de vue de l’aspect, malgré quelques différences inévitables car chaque particules est unique… Il n’est donc pas étonnant que les scientifiques fuient en Antarctique pour échapper à la pollution des régions habitées, pour trouver de VRAIES micrométéorites, calculer de VRAIS flux, trouver de VRAIES compositions chimiques, et ainsi remonter aux astéroïdes ou aux comètes les ayant produites.

Mais des échantillons, si précis soient-ils, ne suffisent pas à rendre compte d’un corps dans sa globalité. C’est pourquoi nous allons nous intéresser dans une deuxième partie à la photométrie d’astéroïdes, c'est-à-dire à la détermination de leur période de rotation en fonction de leur luminosité.

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III°) Photométrie d’astéroïde

-1 Simulation mathématique d’astéroïde

Nous avons voulu simuler mathématiquement un astéroïde

avant d’en observer un réel, pour comprendre le comportement de ce dernier au télescope. Le problème s’est posé de trouver les conditions initiales sous lesquelles notre modèle se rapprocherait au mieux de la réalité tout en restant abordable. Pour les modéliser, il faut aussi connaître leur forme. Or les astéroïdes ont des formes très différentes. Il nous a donc fallu choisir un modèle type qui soit assez représentatif. Ainsi nous avons retenu les conditions suivantes :

• L’astéroïde est un ellipsoïde parfait tournant uniquement sur son petit axe avec une vitesse angulaire constante.

• Il est situé à l’opposition (Soleil, Terre, et astéroïde sont alignés). On suppose sa distance à la Terre constante, de même que l’intensité lumineuse solaire.

• Sa surface est monochromatique, donc la luminosité perçue de l’astéroïde correspond directement à sa surface visible

Là, il faut essayer de se représenter l’ellipsoïde tournant sur lui-

même, et nous qui l’observons depuis la Terre. Cela équivaut (si l’on change de référentiel) à ce que l’ellipsoïde soit immobile et que nous tournions autour de lui. Nous tournons autour de l’objet ; nous n’en voyons qu’une certaine surface qui va varier au cours du temps. C’est comme si un plan venait couper la figure perpendiculairement à notre vision. Les dessins de droite illustrent bien ces explications en montrant ce que voit une personne qui tourne autour de l’objet.

D’après le troisième point, c’est l’aire de coupe de l’objet par le plan qui correspond à la luminosité perçue. Cette surface est en fait une ellipse, et son aire est définie par : Aire perçue = semi petit axe x semi grand axe x π On remarque que le plan coupe toujours l’objet en son centre, si bien que le petit axe perçu ne varie jamais. Par contre, le semi grand axe, lui, varie en fonction de l’angle de rotation . Or, avec une ‘ellipse trigonométrique’ (annexe) il est possible de retrouver la mesure de ce semi grand axe par la relation avec OA le semi grand axe perçu, a et b les semi petit et grand axes de l’ellipse formant l’ellipsoïde, θ l’angle de rotation du plan, donc de l’objet.

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Ainsi nous pouvons connaître l’aire d’une ellipse pour un angle donné. Et d’après le premier point, la vitesse angulaire étant constante, il devient possible grâce à un tableur de tracer des graphiques d’aires observées d’ellipsoïdes en fonction de leur rotation.

Voici l’aire apparente d’un ellipsoïde faisant 4,25 rotations et ayant un semi grand axe de

dimension 2 et un semi petit axe de dimension 1 (en unité arbitraire). Cette courbe a été élaborée avec comme phase de départ l’ellipsoïde vue de profil, moment où son aire apparente est la plus importante.

Voici théoriquement les différences de luminosité que l’on devrait observer au télescope avec un astéroïde ressemblant à cet ellipsoïde.

Mais pouvions-nous passer directement de l’abstraction mathématique à la réalité physique ? Notre modèle s’est basé sur certaines conditions initiales sans lesquelles il ne serait pas valide. Or l’astéroïde est susceptible de ne pas remplir ces conditions… Il nous fallait donc passer par un modèle intermédiaire entre l’ellipsoïde et l’astéroïde : la pomme de terre.

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-2 Une analogie avec une pomme de terre En observant les images existantes d’astéroïdes, l’on remarque qu’ils

ressemblent beaucoup à des pommes de terre. Ainsi pour reconstituer leur comportement, nous avons tout d’abord peint en blanc des pommes de terre. Ensuite, il fallait les faire tournoyer en hauteur de manière à avoir l’illusion de l’isolement dans l’espace. Pour cela, nous avons construit un support adapté en Mécano faisant un tour en deux secondes (une fréquence raisonnable pour l’observation). Une fois le légume planté dessus, la lumière du Soleil a été remplacée par une lampe.

La première tentative pour mesurer la luminosité de la pomme de terre fut d’utiliser un luxmètre :

• Luxmètre attaché sous la lampe et dirigé vers la pomme de terre : aucun résultat notable, la lampe a peut-être affecté le luxmètre…

• Luxmètre entre la lampe et le Mécano : aucun résultat, peut-être le drap noir qui ne l’était pas tout à fait dérange l’appareil…

• Montage inverse : luxmètre placé à contre jour, derrière le montage. Les résultats auraient dû être inversés, mais rien. En définitive, le luxmètre était sûrement trop directionnel.

Il nous fallait donc trouver un autre chemin pour simuler de vrais résultats, après le fiasco des

tentatives ‘Luxmètre’. La seule solution était d’utiliser le même principe qu’avec le télescope : suivre un astéroïde durant toute la nuit avec une caméra. La luminosité de l’objet va varier, à cause de sa rotation mais on la compare à la luminosité connue d’une étoile à proximité.

Donc nous avons réutilisé la pomme de terre tournante avec une caméra, et grâce au logiciel d’astronomie Iris, l’expérience a été concluante. Voici les courbes de luminosité apparente (en unité arbitraire) de quelques objets en fonction du temps (en dixièmes de secondes), que l’on appelle aussi ‘courbes de lumière’ : voir page suivante

L’on constate que notre modèle mathématique a des limites, la texture de surface et l’inclinaison

de la partie visible affecte les résultats… Cela dit, la courbe de lumière de l’ellipsoïde quasi parfaite coïncide parfaitement avec la courbe mathématique faite pour un objet semblable, ce qui prouve que malgré quelques limites, notre modèle est valide et nous pouvons tenter d’observer un vrai astéroïde :

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Sphère tachée sur un coté

On retrouve facilement la période de rotation. Le coté sans tache est plus lumineux que le coté taché : donc la texture de surface affecte les résultats

Pomme de terre pointue

On retrouve facilement la période de rotation. C’est lorsque la pointe passe devant la caméra que la luminosité chute : donc l’inclinaison de la surface visible affecte les résultats.

Ellipsoïde imparfaite

On retrouve facilement la période de rotation.

Ellipsoïde quasi parfaite On retrouve facilement la période de rotation bien qu’elle puisse se confondre avec celle de la sphère tachée.

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-3 Photométrie réalisée sur l’astéroïde 349 Dembowska Problème de localisation de l’astéroïde :

L’aboutissement de nos modélisations fut bien sûr d’observer nous-même un astéroïde et de retrouver sa courbe de lumière. Dans un premier temps nous avons demandé de l’aide à un astronome amateur pour nous montrer la marche à suivre, puis nous avons fait nos propres mesures grâce au télescope du lycée et avec un appareil photo. Notre cible était un astéroïde répondant au nom mélodieux de ‘349 Dembowska’, dont nous savions qu’il tournait sur lui-même en 4,701 heures, ce qui nous permettait sur une nuit d’observation d’obtenir sa courbe de lumière entière. Une fois l’astéroïde choisi, on recherche précisément sa position sur une carte du ciel. Or, depuis la Terre, rien ne permet en apparence de discerner un astéroïde d’une étoile : c’est un point lumineux comme un autre. Ainsi il est essentiel d’adapter l’échelle de la carte au champ d’observation de la matrice de l’appareil photo, de manière à ce que l’on puisse se repérer. Il faut donc calculer la surface de ciel que la caméra balaye (calculs en annexe), et nous trouvons 0,64 x 0,43° soit un rectangle pouvant contenir une pleine Lune, ce qui est relativement peu par rapport au champ qu’avait l’astronome car sa lunette couplée à sa caméra CCD lui permettait de couvrir une parcelle de 6 pleines Lunes (1,6 x 1,08°) !

Maintenant que l’échelle de la carte est connue, on repère les étoiles les plus lumineuses qui se distingueront des autres étoiles au télescope. Ainsi, une fois l’appareil dirigé dans la bonne zone du ciel, on identifie les étoiles lumineuses et donc la position de l’astéroïde. De plus, pour l’étape finale, il faut qu’au moins une de ces étoiles de référence ait une luminosité connue, d’où l’intérêt d’avoir un grand champ d’observation pour choisir l’étoile la plus appropriée, tout en sachant qu’il faut aussi qu’elle soit située à proximité de l’astéroïde.

Problème de l’absorption de l’atmosphère :

Une fois l’astéroïde repéré, comme nous n’allons pas prendre en compte l’atmosphère dans nos calculs de traitement, il faut attendre que 349 Dembowska se rapproche du méridien pour avoir une masse d’air la plus petite possible entre lui et le télescope. En effet, l’atmosphère est faite de gaz, et ces gaz ont tendance à absorber la lumière différemment suivant ses longueurs d’onde. Si l’atmosphère est bleue le jour, c’est parce que la lumière blanche du Soleil, arrivant à la verticale du sol, est absorbée et diffusée dans son spectre bleu perpendiculairement à la trajectoire des rayons incidents, donc parallèlement au sol, dans tout le ciel. De la même manière, si le ciel est rouge le soir, c’est parce que la lumière blanche du soleil, qui arrive parallèlement au sol, est absorbée et diffusée dans le rouge toujours dans le même sens que les rayons incidents, alors que le bleu est toujours diffusé perpendiculairement aux rayons incidents, c'est-à-dire en direction du sol ou de l’espace.

Ainsi lorsqu’un objet est situé haut dans le ciel, ce qui était le cas pour 349 Dembowska, il est préférable d’utiliser un filtre rouge, et c’est ce que nous avons fait. Ces deux précautions, le passage au méridien et le filtre rouge nous ont permis de négliger l’atmosphère.

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Problème mécanique : Bien entendu, c’est grâce à la matrice de l’appareil photo que l’on règle le télescope sur

l’astéroïde. C’est elle qui va enregistrer les images. Le problème est qu’elle doit toujours avoir dans son champ l’astéroïde et l’étoile de référence. Or la Terre tournant, nous avons l’impression que les étoiles tournent. Pour compenser cette rotation, le télescope dispose d’une monture motorisée qui compense cet effet en tournant à l’inverse, et sur de courtes périodes rien ne bouge sur la matrice… alors que sur de longues périodes, l’image se décentre de plus en plus à cause des problèmes de la monture (mécanique… dont imparfaite), et les deux points lumineux finissent par disparaitre. Il faut alors utiliser un logiciel d’autoguidage qui, relié à la monture, va repérer une étoile observée, et envoyer en temps réel des corrections de déplacement pour que l’étoile reste toujours ‘à sa place’.

Prétraitement et traitement des images : Maintenant que nous avons les images, un prétraitement s’impose avec le logiciel iris, qui va

recentrer parfaitement toutes les images, et entre autre leur enlever les traces de poussière présentes sur la lunette (ceci est décrit plus en détails en annexe).

L’étape finale consiste au traitement des images, car si les images sont ‘propres’, il reste à

calculer la courbe de lumière. Pour plus de précision, les images ont été légèrement défocalisées ; c’est pour ça qu’elles apparaissent légèrement floues sur l’image

Tout d’abord on va choisir une des étoiles de référence dont nous connaissons la luminosité. Or il peut s’agir d’une étoile à luminosité variable ! Donc pour vérifier, on demande à Iris de

nous donner sa luminosité (en unités arbitraire) en fonction du temps, et si la courbe qui en résulte est une droite, alors on peut continuer en utilisant cette étoile.

Une fois l’étoile de référence choisie, on demande au logiciel de calculer la luminosité relative de l’astéroïde par rapport à cette étoile… et voici le résultat :

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L’on distingue deux pics de lumière forte, et trois pics de lumière faible sur ce graphique (compte tenu de la légende de l’axe des ordonnées). Mais comme ils ne sont pas semblables, on peut penser que la rotation ne ressemble pas à celle de la boule noire et blanche. De plus, pour arriver au premier pic de lumière, la luminosité croît régulièrement, ce qui semble être la même chose pour l’arrivée au 3ème pic de lumière, (non visible). Ainsi l’on peut conjecturer que cet astéroïde est de forme ellipsoïde, d’une période d’approximativement… 23,976 - 23,782 = 0,194 jours soit 4,656 heures ce qui correspond environ à la période de 4,701 heures que trouvent les scientifiques !

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Depuis la nébuleuse solaire primitive, nous avons fait du chemin… Les particules se sont sédimentées, condensées et regroupées en planétésimaux. Les planètes qui en sont le résultat le plus avancé cohabitent encore avec des corps primitifs tels les astéroïdes qui expulsent régulièrement des débris vers la Terre. Ces débris peuvent êtres de toute taille, du kilomètre à des particules invisibles à l’œil nu, appelées micrométéorites. Celles-ci étant le plus gros apport de matériaux extraterrestre sur Terre, leur étude est d’autant plus importante qu’elles auraient pu être un élément indispensable quant à l’apparition de la vie sur Terre.

L’étude des micrométéorites peut se faire sans trop de matériel, juste avec un aimant et une

descente de gouttière, ou alors avec la surface d’un champ de neige, tout en prenant des précautions pour éviter la pollution des résultats par des particules terrestres. Grâce à ces expériences, nous avons pu récolter ce que nous avons pris pour des micrométéorites, car elles ressemblent à s’y méprendre à celles trouvées en Antarctique. Nous avions classifié ces sphérules en 4 catégories, les micrométéorites « ferreuses » (50%), les « boules de neige » (25%), les « verre » (10%), et les « or » (10%). Cela dit, en tenant compte uniquement des « ferreuses », nous arrivions à un flux de 5300 milliards de tonnes par an tombant sur Terre, alors que les scientifiques ne le calculent qu’à 6000 tonnes par an. Nos échantillons étaient donc contaminés, et un passage sous le microscope électronique nous a démontré que les « or » et « verre » étaient en réalité des particules de ciment vitrifiées, ensuite les « boules de neige » étaient soit de l’argile, soit des particules alvéolaires ne pouvant être que terrestres. Restent les « ferreuses », les plus intéressantes car à part certaines issues de l’expérience 5 qui sont creuses et composées à 100% de Fer, les autres possèdent une composition qui bien que n’indiquant pas une origine extraterrestre certaine, n’indiquent pas non plus une origine terrestre certaine. Là réside le problème principal de récolter des micrométéorites dans une zone industrialisée, même en campagne… Par conséquent, réaliser des coupes de milliers de sphérules (ce qui est long et onéreux) pour trouver une micrométéorite, ne serait pas rentable. Or les projets scientifiques étant financés suivant leur rentabilité, l’on comprend pourquoi les scientifiques vont en Antarctique pour trouver leurs particules cosmiques, et ne restent pas dans les zones industrialisées.

Mais trouver des micrométéorites n’est pas une fin en soit. Leur analyse nous aide à reconstituer

la composition chimique des astéroïdes ou des comètes d’où elles proviennent, ces corps susceptibles à la fois d’avoir apporté la vie sur notre planète, et de rentrer un jour en collision avec la Terre, ce qui pourrait l’anéantir. De plus, avoir la composition d’un astéroïde n’éclaire qu’en partie la connaissance que l’on a de l’objet dans sa totalité. D’autres choses sont importantes, comme par exemple leur période de rotation sur eux-mêmes. Pour évaluer cette rotation, on utilise une méthode appelée photométrie, qui consiste à étudier la luminosité de ces petits corps. On peut dans un premier temps avoir recours à un modèle mathématique qui suppose qu’un astéroïde est ellipsoïde, et que s’il est placé à l’opposition (la Terre se trouve entre lui et le Soleil), la luminosité que nous recevons est proportionnelle à la surface perçue. Mais en confrontant ce modèle à une simulation avec des pommes de terre tournant sur elles-mêmes, nous avons constaté que certains paramètres vont à l’encontre de l’hypothèse initiale : par exemple la couleur de surface fait varier la luminosité, de même que l’angle sous lequel la lumière touche la surface. Cela dit, si l’astéroïde est bien ellipsoïde et blanc, on retrouve la même courbe de lumière qu’avec le modèle mathématique. Ainsi, en s’étant assuré de la relative validité du modèle, nous sommes passés à l’observation d’un vrai astéroïde, 349 Dembowska. Grâce à un télescope C8 et à un appareil photo numérique, nous avons retrouvé l’objet en question dans le ciel, puis réalisé des images au cours d’une nuit : ces dernières, une fois traitées, nous ont permis de retrouver la courbe de lumière de l’astéroïde, et sa période qui correspondrait à une forme ellipsoïdale.

Nous sommes encore loin de tout connaître sur le système solaire. Chaque jour apporte son lot de

surprises. Mais cette recherche n’est pas inutile : comme l’a fait remarquer l’astronome Stephen Hawking, "La survie de la race humaine sera menacée tant qu'elle restera concentrée dans sa totalité sur une seule planète. Des catastrophes comme une collision avec un astéroïde sont parfaitement capables de nous détruire tous sans laisser un seul survivant." Voici tout l’enjeu de l’étude des petits corps du système solaire.

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Annexe

Lamelle micrométrique (ou calculs préliminaires) : Avec le pas de la lamelle, on voit que le rayon de la micrométéorite (MM) fait 50µm D’où Volume MM = 4/3 x π x R³ = 523 333 µm³ Les échantillons étant magnétiques, on suppose que notre MM est une sidérite, c'est-à-dire qu’elle provient du cœur des astéroïdes différenciés, elle est composée de 10% de Nickel et de 90% de Fer. Densité sidérite = 8 D’où Masse volumique MM = 8000 kg/m³ Soit 8000 x 10-18 kg/µm³ Soit 8000 x 10-9 µg/µm³ Ainsi Masse MM « ferreuse » = 523 333 x 8000 x 10-9 = 4,2 µg Nous avons trouvé 145 MM « ferreuses » qui s’apparentent à des sidérites : Masse échantillon MM « ferreuses » = 145 x 4,2 = 609 µg La récolte a duré deux semaines, dans une année il y en a 54 soit 27 fois plus : Masse MM « ferreuses » = 27 x 609 = 16443 µg/an/échantillon Soit 16,443 g/an/échantillon Aire de récolte = 10m² Dépôt MM « ferreuses » = 1,64 g/an/m² Soit 1,64 x 106 g/an/km² Soit 1,64 tonnes/an/km² La surface de la Terre étant de 3,24 x 1012 km² : Flux MM « ferreuses » = 1,64 x 3,24 x 1012 = 5,3 x 1012 tonnes/an Soit 5,3 mille milliards de tonnes par an !!!

Calcul du champ d’observation de la caméra Matériel utilisé :

• Télescope Celestron8 Focale 2000mm Diamètre objectif 200mm • Appareil photo Canon 20d Matrice 22,5 x 15 mm Pixels 6,4 µm²

La matrice de l’appareil photo est placée au foyer du télescope pour qu’une image se forme dessus. Elle est donc sur le plan focal image de l’objectif, là où la lumière des objets situés à très grande distance du télescope se focalise (en l’occurrence la lumière des étoiles et des astéroïde). Seul un miroir plan secondaire va dévier la lumière de cette focalisation, mais pour les calculs cela revient au même. La matrice étant placée perpendiculairement à l’axe optique du télescope, sa distance à l’objectif étant égale à la focale, et le diamètre apparent de son champ d’observation faisant un angle α avec l’objectif, nous avons un triangle rectangle :

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Tan (α) = matrice/focale • Tan α = 22,5/2000 d’où α = 0,64° • Tan α = 15/2000 d’où α = 0,43°

Donc on observe une région du ciel de 0,64° x 0,43° soit environ la taille apparente d’une pleine Lune.

L’ellipse trigonométrique

Comme le montrent les

dessins ci-contre, un ellipsoïde est formé d’une ellipse « de base » qu’on le regarde de face, ou de haut. Vue de face, mais en tournant autour de l’objet, on se rend compte que le demi grand axe de l’ellipse perçue va varier. L’extrémité de ce demi grand axe de l’ellipse perçue va se déplacer en réalité sur le périmètre de l’ellipse que l’on voit en regardant du haut.

Le dessin de droite montre l’ellipsoïde tournant d’un angle θ, ou notre plan de coupe tournant

d’un angle θ. Il faut donc trouver une relation entre angle de rotation et la mesure du demi grand axe de l’ellipse perçue. Notre situation nous rapproche du cercle trigonométrique que l’on utilise en mathématiques…

Dans le cercle

trigonométrique, l’on retrouve la relation cherchée. En effet, grâce au théorème de Pythagore sur les triangles rectangles, il existe une relation entre angle et mesure du rayon. Ceci est valable pour un cercle. Pour notre ellipse, c’est assez semblable : les mesures vont juste dépendre du demi petit axe et du demi grand axe.

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Prétraitement Sur la première image, on va d’abord montrer à Iris une étoile et lui indiquer la zone où cette même étoile dévie au cours du temps : l’ordinateur va ensuite recentrer toutes les images par rapport à l’étoile en question. Grâce à cela, on peut superposer la première et la dernière image pour observer le mouvement de l’astéroïde.Mais on voit aussi que le fond du ciel n’est pas tout à fait noir : cela est dû aux défauts de la caméra et du télescope. Ainsi, avant l’observation, il faut réaliser des images spéciales capables de révéler ces défauts :

• L’ ‘Offset’ qui correspond à une image avec un temps de pose proche de 0 secondes et dans le noir. En effet la matrice possède des composés électroniques qui émettent du rayonnement électromagnétique perturbant les pixels.

• Le ‘Dark’ signifiant noir en anglais car l’on bouche le télescope et l’on enregistre quelques secondes : la matrice n’enregistre donc aucune lumière mais des points blancs apparaissent tout de même, ce sont les pixels chauds de la caméra.

• Le ‘PLU’ (Plage de Lumière Uniforme) qu’on obtient en braquant le télescope sur le ciel à l’aube ou au crépuscule, quand aucune étoile est visible : sur cette lumière uniforme l’on voit les poussières présentes sur le miroir du télescope.

Or comme les images obtenues sont numériques, c'est-à-dire faites de chiffres, on peut mathématiquement les additionner et les multiplier. Pour obtenir un Dark réel, on enlève l’Offset au Dark, car les rayonnements électromagnétiques ont perturbés les mesures. De même, pour obtenir un PLU réel, on lui enlève l’Offset et le Dark réel. Pour corriger les images des défauts de la matrice et du télescope, on soustrait aux images brutes l’Offset puis le Dark réel. Ensuite pour éliminer les poussières, on divise les images obtenues par le PLU réel. Pour comprendre pourquoi, il faut faire un petit exemple dans lequel on donne des valeurs aux pixels proportionnellement à la luminosité observée : Image PLU réel : 1000 800 1000 (on remarque qu’il y a une poussière au deuxième pixel qui absorbe 20% de la lumière) Image de ciel presque noir : 10 8 10 (la poussière absorbe toujours 20% de la lumière au pixel 2) Image ciel noir/PLU réel : 10/1000 8/800 10/1000 Soit �0,01 �0,01 �0,01 (la poussière a été corrigée, l’image est uniforme, et le logiciel augmente artificiellement ces valeurs pour avoir une luminosité proche de la réalité. Ainsi la luminosité relative est respectée) Au final, l’on obtient la formule suivante : Image prétraitée = (Image brute – Offset – Dark réel) / PLU réel

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Bibliographie

-Images pour le I°) : http://nssdc.gsfc.nasa.gov/image/astro/hst_pillars_m16_close.jpg http://astropc0.ulb.ac.be/Publications/aj_seuls_fichiers/image002.gif http://www.aim.univ-paris7.fr/CHARNOZ/homepage/SYSTEME_SOLAIRE/disk_color.jpg http://cse.ssl.berkeley.edu/bmendez/ay10/2002/notes/pics/bt2lf0816_a.jpg http://www.lesia.obspm.fr/~erard/docs/asteroids/images/Ast_met.jpg http://www.planete-astronomie.com/Asteroides/Asteroides-00.php -Ida : http://www.astronomes.com/i1_solaire/ida.jpg -Micrométéorites de l’USACE Cold Region Research and Engineering Laboratory: http://www.crrel.usace.army.mil/es/research/micrometeorites.htm (clichés remis à jour) http://physicsworld.com/cws/article/news/3262/1/news-2-17-4-1 -Electronographies des poussières de Concordia : http://www.univ-lille1.fr/lspes/meteor/mms_meb.html -Classification du Dartmouth College : http://remf.dartmouth.edu/micrometeorites/ -Conseils pour récolter les micrométéorites sur neige : http://meteorites.superforum.fr/discussion-generale-f2/recolte-de-micro-meteorites-sur-la-neige-t171.htm -Différences entre vraies ou fausses météorites : http://meteorites.wustl.edu/id/metal.htm -Conférence de Michel Maurette, directeur de recherche au Centre de Spectrométrie Nucléaire et de Spectrométrie de Masse d’Orsay (CSNSM) concernant l’origine micrométéoritique de l’apparition de la vie sur Terre : http://www.cerimes.education.fr/index.php?page=fiches,view,222779 -Base de données concernant les paramètres orbitaux des astéroïdes connus : http://asteroid.lowell.edu/cgi-bin/koehn/astfinder

Nous tenons tout particulièrement à remercier Philippe Rousselot, astronome à l’observatoire de Besançon, pour nous avoir coaché depuis le début de notre aventure, et nous avoir mis en relation avec Cécile Engrand, chercheuse au CSNSM, qui nous a donné son avis concernant nos sphérules.

Mais aussi Mr Rouge, ingénieur en microscopie électronique qui nous a révélé toutes les subtilités de cette machine formidable, et Martine Buatier, géologue à l’université de Franche-Comté pour son accompagnement lors de l’analyse des échantillons, et ses précieux conseils quand à l’interprétation des résultats.

Concernant la partie télescope, un grand merci à l'observatoire de Paris (opération Sciences à l'école) pour le prêt du télescope C8 et de la monture, et à l’observatoire de La Perdrix (25) pour nous avoir accueilli sur son terrain. Et nous n’aurions pas réussi à obtenir des résultats corrects sans Mickaël Porte, astronome amateur nous ayant initié à l’observation des astéroïdes.

Mais notre projet ne serait pas arrivé à son terme sans l’aide de Marie-Noëlle Mouge, laborantine du lycée qui, tout au long de l’année, a mis à notre disposition une salle pour pouvoir observer nos échantillons, supporté nos va-et-vient continuels et nos demandes incessantes de matériel.

Et évidemment un immense merci à Nicolas Esseiva, professeur de SVT, qui nous a consacré beaucoup de son temps, sans oublier Mr Lhomme, professeur de Physique, sans lesquels notre travail n’aurait pas pu aboutir.