une première rencontre avec l'astronomie éléments pour illustrer le cours : chapitre 4 lumière

1UNSA_2012-2013 UEL_rencontre avec astron/astrophys Yves Rabbia, UNSA OCA Lagrange chap 4 lumière

une première rencontre avec l'astronomieéléments pour illustrer le cours : chapitre 4 lumière

une première rencontre avec l'astronomieéléments pour illustrer le cours : chapitre 4 lumière Yves Rabbia, astronome

Observatoire de la Côte d'Azur,

[email protected] 93 40 53 59


lumière« messagère des astres »

lumière« messagère des astres »

approche intuitive et definition de travailrepresentationscaracterisation contenu informatif et exploitation en astro

approche intuitive et definition de travailrepresentationscaracterisation contenu informatif et exploitation en astro


Lumière, premiere approche

une définition :nous appelerons Lumière un phénomène de transport d'énergie et/ou d'informationentre deux points de l'espace, y compris l'espace vide.

vitesse dans le vide : 300 000 km / s

Attention : la lumière ce n'est pas seulement ce que détecte l'œil (on y reviendra)

comment décrire ce phénomène ? quel modèle utiliser ?

on cherche des concepts physiques et un formalisme mathématiquequi rendent compte des propriétés observées

En particulier de la transmission d'énergie entre un émetteur et un récepteur(notions de stimulus et de réponse au stimulus)

!


Lumière : c'est quoi ?

voir : c'est quoi ? stimulus

energieoeil cerveau

mémoire

nerf optique

c'est ce qui nous permet de voir (?)

pour l'instant contentons nous de dire :

la lumière, c'est de l'énergie qui arrive sur l'œil

voir, c'est recueillir et traiterl'information portée par cette energie

mais l'energiec'est quoi ???

cette réponse intuitive est très insuffisanteen fait la lumière n'est qu'un élément d'une chaine


question : energie , c'est quoi ??

recepteur avant recepteur après

+ Energie

0 1

l'energie une notion abstraite, qui a donné naissance à une grandeur physiquePour notre propos, ici nous dirons c'est ce qui est capable de modifier l'état d'un « récepteur »


nos sens : des chaines de détection

la description précédente s'applique aux autres organes des sens

stimuli capteurs gestion des données

stimulus

energie

oreillepeaulanguenez

cerveau

mémoire

signal

influx nerveux

sourcedes stimuli

source

transportcapteur enregistreur

ordinateurstimulus réponse

!


la vision : principe _1

capteurs juxtaposés (rétine)chaque capteur change d'état (ou pas) notre cerveau code et rassemble les réponses image = tableau de nombres


une image, un tableau de nombres : il y a un lien direct

la vision : principe _2

le cerveau reçoit un ensemble de nombres qu'il sait ranger en un tableau reproduisant la disposition des capteurs de la rétine:

000000011101111111111001110000111000000000

en affectant un motif à chaque nombre (exemple : 0 blanc, 1 noir) le cerveau fabrique une image et l'enregistre,

et c'est cela

que nous appelons image vue


comment la lumiere transporte-t-elle de l’energie ?

une autre représentation intuitive:idée de front d'énergiequi s'étend et se dilue dans l'espacecomme des vagues qui s’étendent sur l’eau

une représentation intuitive :trajectoire, rayons de lumièrepropagation rectiligne

attention : intuition insuffisante non applicable en espace courbe et aux distances cosmologiques

deux concepts sous-jacents : rayons et fronts d’onde !


une synthèse des intuitions initiales

ici, l'intuition conduit à direles rayons sont localement normaux aux fronts d'energie ( démontré avec théorème de Malus)

on y reviendra

source

front d’onde

capteur

rayon

les rayons illustrentla direction de propagation de l'énergieportée par les fronts

!


des représentations successives pour la lumière ( à grands traits)

de l'antiquité au 17eme siècle rayons lumineuxcommode, intérêt pratique, mais pas de modèle physique associé

17eme et 18eme siècles modèle physique, vision mecaniste (Newton)lumière formée de corpuscules, les rayons représentent les trajectoiresmais contradictions avec l'experience, comportements inexpliqués

18eme et 19eme siècles modèle physique, lumière = ondeHuyghens, Young, Fresnel, Arago, Maxwell, .....

20eme siècle resurgence du modèle corpusculaire : les photons (Einstein)

20eme siècle : synthèse avec les quantonsélectrodynamique quantique ( ni onde ni photon)

grosses difficultés pour concilier ces deux derniers modèles

on a introduit la dualité onde-corpuscule (deBroglie) mais ce n'est pas satisfaisant

parlerait-on de dualité cercle-rectangle à propos d'un cylindre ?

!


quel modèle retenir ?

ça dépend de ce qu'on veut décrire

les rayons : modèle empirique, pas de concept physique en soutienpropagation rectiligne en milieu homogène,retour inverse, reflection, refraction, diffusion

optique géométrique (lentilles, miroirs, ...) ==> localisation et forme des images

modèle ondulatoire : concept de champ électromagnétiquedispersion, diffraction, interférences, surface d'onde, formation des images, couleurs, cohérence, polarisation

modèle corpusculaire : le photon, objet quantiqueémission, absorption, interaction matière lumière

en bref : source récepteurmilieu traversé

photons photonsondes

émission absorptionpropagation

!


synthese pictorielle

et abusivement simpliste

explications à l’oral


comment se figurer les différents modèles

photon

comme un projectile avec une trajectoire et vehiculant de l'énergie

A

rayonjuste une commodité opératoirepas de modele physiqueen soutien E

H Ponde électromagnétique

influence reciproqueentre champ electrique et champ magnetique et propagation résultante


paramètres clef associés aux modèleslumière décrite par des ondes

lumière décrite par des photons

tempsamplitude A

période

fréquence : nbre de périodes par seconde (nbre d’oscillations)

unité Hertz ou s-1 ( lumière visible : 3. 1014 Hz)

energie recueillie : E = A2 x temps de pose (unité : joule)

energie recueillie avec un photon : E = h. joule

h = constante de Planck 6 . 10-34 Joule.seconde

la couleur que nous percevons dépend de la frèquencela couleur que nous percevons dépend de la frèquence

!


indice de réfraction : ça va moins vite !

dans un milieu matériel (transparent) l’energie avance moins vite que dans le vide

effet de l’indice optique « n »

dans le vide : vitesse c ( 300 000 km /s)dans le milieu d’indice n : vitesse v = c/n

milieu = vide/n

la frequence ne change pasla longueur d’onde est raccourcie

le ralentissement est quantifiépar l’indice optique « n », ou indice de réfraction

il caracterise le milieu : dans le vide n=1dans un milieu materiel n > 1

!


L’indice de refraction depend de la longueur d’onde

nbleu > nrouge « bleu » va moins vite que « rouge »

n dépend du milieu


illustration : influence de l'indice (encore une couche ! )

un peu comme à velo : ça monte, on change de braquetpour garder le meme rythmede pedalage

distance

propagation

distancen

milieu = vide/net v = c/n

dans le milieu matériel la longueur d’onde est plus courteon avance au meme rythme que dans le vide mais avec des pas plus petits

temps

chemin geometrique Lchemin optique n.L

entre deux points si on traverse un milieu matérielle trajet et le temps de parcourssont plus longs

distance parcourue

vitess

e c vitesse c/n

vitesse

c

A

B

t1 t2


La Lumière, paramètres clefs suite recapitulativevitesse de propag : dans le vide c = 3.108 m/s,

dans un milieu matériel v = c/noù intervient ce qu'on appelle l'indice optique "n" toujours > 1(il agit donc comme un frein)

pour le vide (par extension ) n = 1

longueur d'onde : longueur de propagation pendant une période

elle dépend du milieu , par l'intermédiaire de l'indice "n"

dans le vide= c / vitesse/frequence

etdans un milieu matériel milieu= vide/n

fréquence : elle ne dépend pas du milieu où a lieu la propagation

!


localisation angulaire de la sourcedistribution spatiale d'intensité lumineusephysionomie de la source observée

composition chimique de la sourcecomposition chimique du milieu traversétempératurepuissance totale émise processus physico chimiquesmouvements et champs de vitesses

anisotropie du milieu émissifet des milieux traversés

l'information portée par la lumière

propagation rectiligne

distribution spectrale de puissance

c'est-à-direcomment est répartie

la puissance sur les diverses fréquences

la polarisation :

d'une manière générale la lumière nous renseignesur la source et sur les milieux qu'elle traverse

!


propagation rectiligne : refraction, reflexion, diffusion

refractionreflexion

incident réfléchi

ii '

rn

réfracté

diffusion

!


outil basique pour guider les rayons

Lois de Snell-Descartes, 1625

rayons dans le même plan appelé : plan d'incidence

i = i ' sin i = n. sin r

en passant du vide au milieule rayon refractés’approche de la normale au dioptrer < i

incident réfléchi

ii '

rn

réfracté

!


avec la réfraction .....on redécouvre l'optique géométrique

la déviation augmente avec

l'angle d’arrivée (angle d’incidence)

axe principal

foyer

distance focale

faisceau de rayons parallèles

front d'onde

front d'onde

incident réfléchii i '

rn

réfractéfoyer

pointde convergence

empilement de prismesd'angles appropriés

nous reviendrons là-dessus à propos des instruments


mais il y a aussi la refexion .....utilisation de miroirs

Centrede courbure

C Foyer

incident réfléchii i '

vision intuitive et phenomenologique :

on considère le miroir comme localement plan au point d’impact du rayon incident


distribution spectrale de puissance lumineuse :

les couleurs, le spectre de la lumière visibleobservation aujoud'hui familière, (Newton, 18eme siecle)

décomposition de la lumière blanchela lumière transporte plusieurs couleurs

!

trouvez l’erreur


on associe longueur d'onde et couleurou bien fréquence et couleur

couleur : ça fait penser à la lumière visible

une remarque

mais le phénomène lumière a une unité physique qui dépasse largement sa manifestation visible

Il couvre un éventail de fréquences, bien plus étendu que celui que perçoit notre œil

cet éventail est le spectre électromagnétique

!


spectre electromagnétique : éventail des "couleurs"

domaine perçupar l'oeil

échelle horizontale en mètresqui décide des limites des domaines ??

!


spectre electromagnétique : autre présentation

la fréquence augmente

la longueur d'onde augmente

!


pourquoi aller chercher hors du visible ?

certains comportements de la lumière ne se manifestent que hors du visibleon peut dire que selon la longueur d'onde ce n'est pas le même objet que l'on regarde (processus physiques différents)

domainevisible

domaine X

naissance d'étoiles(infrarouge)

plusieurs domaines en infrarouge

des images en radio ?? trocoul


et d'où vient la lumière ?et d'où vient la lumière ?sources naturelles, sources artificielles

mais d’une manière générale et en raccourci (on y reviendra) :

très schématiquementla lumière ( photons) resulte del’interaction entre particules dites « elementaires »au sein de reactions nucleaires

les photons et les particules produits interagissent avec des atomes et des molecules

ceux-ci peuvent alors être modifiés (transitions entre niveaux d’energie)ainsi que leurs vitesses (agitation) ce qui élève la temperature du milieu

la temperature du milieu est aussi source de rayonnement


attention , distinction à fairesource réelle ou réflecteur ?

sources naturelles de lumière


titre de la premiere diapo

sources artificielles de lumière


distribution spectrale de puissance lumineuse

trois exemples très souvent rencontrés

rayonnement quasi monochromatique ( laser) : quasiment une seule longueur d'onde raies spectrales d'éléments chimiques : spectre discret le rayonnement thermique : spectre continu

laser HeNe éléments chimiques thermique

comment se distribue l'énergie lumineuse d'une sourceen fonction de la fréquence (ou de la longueur d'onde) ??

pas pareil selon le mode de fabrication du rayonnement !

P()

?

!


spectres : un moyen puissant pour le décodage des messages de la lumière

Joseph von Fraunhofer1787_1826

Gustav Robert Kirchhoff 1824-1887

decouverte raies d'absorption dans le spectre du rayonnement du soleil mais aussi Wollaston, 1802

ouverture d'un nouveau moyen d'étude : naissance de l'astrophysique (?)

interpretation de la formationdes raies d'absorption dans le spectre du soleil(details plus loin)


coup de bol :la photographie arrive à la même époque que la spectro

c'est vraiment avec l'association spectro+photo que l'astrophysique prend son essor (images et spectres)

Louis Daguerre1787-1851

Joseph Niepce1765-1833

1826

John W. Draper 1811_1882

1840


quelques illustrations de l'exploitation de la spectro

"spectro" à l'oeil : couleur des corps ( absorption selective)

"spectro" grossière : photométrie temperature de surface

spectroscopie :raies d'absorption présence d'éléments chimiques

spectrométrie plus fine: décalage des raies spectrales (effet doppler)

analyse du mouvement des sources : velocimétrieétoiles doubles, exoplanètescartographie de notre galaxie en radio

profil des raies spectrales conditions physiquestemperature, rotation de la source (doppler), gravitédistances, ....

!


la plupart des corps que nous voyons ne fabriquent pas la lumière que nous en recevons (exemple la Lune ou le pull de la copine )

Pourquoi les cerises sont rouges ? et pourquoi les petits pois sont verts ?

mais les petits poissons rouges ?oui, oui, d'accord

cerise

petit pois

spectro «à l’œil » absorption selective, couleur des corps

Ils renvoient vers nos yeux une partie de la lumière qu'ils reçoivent par ailleurs Une partie seulement, car ils absorbent l'autre partie (une sorte de taxe de passage)et surtout ils absorbent différement les uns des autres .

!


spectro presque à l’œil : photometrie grossièrecouleur et température : plus chaud plus bleu

si on connaît la longueur d'onde du maximum de la courbe de Planck (observation)la loi de Wien nous donne une estimation de T (on y reviendra)

max.T 3000 m.K°

courbes de Planckspectres de rayonnement thermique

!

! !


exemple : spectres stellaires, physionomie générale

un profil de base et des « motifs » affectant ce profil

thermique profil de base : sorte de gaussienne distordue(courbe en cloche déformée, courbe de Planck)

signature du rayonnement de type thermique

motifs spectraux : raies spectrales :signature des éléments présents et signature des conditions physiques

!


illustration pour distribution spectrale (raies spectrales)

spectres continu et discret avec émission et absorption ( Kirchhoff)

ça c'est un spectre observé sur étoile(, intensité)(échelle verticale logarithmique)

!


illustration pour distribution spectrale (suite)

chaud

froid

le gaz « froid » de la périphérie de l'étoile

absorbe à diverses longueurs d’onde particulièresla lumière venant de l’interieur

plusieurs millions de K

quelques milliers de K

interprétation des raies spectrales d'absorption en astro!


Sodium

carrément comme des empreintes digitales ou comme un "code barre"

spectro : chaque élément a un spectre de raies qui le révèle

Hydrogene

Calcium

Mercure

Neon

!


un sacré fouillis à analyser pour reconnaitre "qui est qui"


L ’effet Doppler : signature d'une vitesse radialeL ’effet Doppler : signature d'une vitesse radiale

V: vecteur vitessede la source

v : composante radiale

composante transversale

le décalage spectral est lié à la vitesse de la source ( sa projection sur la ligne de visée)par la relation :

source= v / c = z

le paramètre z est appelé le décalage doppler (ou doppler shift)

Attention : le paramètre z peut conduire à exhiber des vitesses proche de celle de la lumière et la relativité doit être prise en compte;

la relation pertinente est alors : 1+z = sqrt((1+v/c)/(1-v/c))

une raie spectrale doit se trouver à sourcedans le spectre

mais on l'observe décalée à obs source


l'effet Doppler fonde la vélocimétrie : l'effet Doppler fonde la vélocimétrie :

le mouvement des raies spectralesle mouvement des raies spectrales

est la signature d'une vitesse radiale variable est la signature d'une vitesse radiale variable

message de l ’étoile,carte d ’identité, code barre

temps

décalage spectral

temps

Longueur d’onde


doppler fizeau en "live"

ci-contre c'est étoile et compagnon faible (planète ?)les deux tournent autour du centre de gravité commun

c'est la lumière de l'étoilequ'on observe

la planète n'est pas assez brillante pour être observable

crédit E. Pecontal, obs. Lyon


autre apport de l'effet dopplerla rotation des étoiles révélée par le profil des raies spectrales

pour l'étoile en rotationune partie vient vers nous l'autre partie s'éloigne

les raies venant de chaque partie sont décalées par le mouvement

P()P()

le profil de la raiesubit un élargissementdépendant de la vitesse de rotation

et corrélativement par conservation de l'energie on a : elargissement reduction de la profondeur


un exemple avec la rotation de Saturne et de ses anneaux

noter le profilen ligne brise(pente exagérée sur ce dessin)

s'approche s'éloigne

on isole par une fenteune partie de l'image et on disperse


cartographie doppler de la voie lactée (radio astronomie)

centregalactique

exploitation de l'effet doppleravec la raie spectrale de l'hydrogène = 21 cm (domaine radio)

vitesse radiale

vitesse radiale

vitesse orbitale

vitesse orbitale

vitesse orbitale

vitesse radiale

mais il faut un modèle de rotationet tenir compte du mvmt du soleil


parlons un peu d'énergie :

avec la lumière, l'énergie initiale se répartit sur la surface sphérique 4..R2, la surface d'onde (et les rayons ??)

comme les rides sur l'eau, après un "plouf", l'énergie initiale se dilue

Quand la sphère s'agrandit, l'énergie se conservemais l'unité de surface sur la sphère voit varier en 1/R2 l'énergie qui lui parvient

R

!


exercice : un peu de calcul, pas de panique

en arrivant sur la Terre la puissance s'est répartie sur la sphère dont le rayon est R = 1 Unité Astro (1.5 1011 m)

La surface de cette sphère est S = 4.R2

ce qui donne S = 4 x 2.25 x 1022 m2 soit environ 3.1023 m2

Quelle puissance reçoit une surface "s" de 1 m2 sur Terre ???

Elle reçoit la fraction : 1/(3.1023) de la puissance sortant du Soleil

ce qui donne Pcollectée = 4.1026 / 3.1023 watts soit 1.3 kW !!

consommation de deux fers à repasser(?) ou de 13 ampoules de 100 W

la puissance qui sort du soleil est de l'ordre de 4.1026 wattscette puissance se dilue dans l'espace sur une sphère

R

!


questionla puissance qui sort du soleil est de l'ordre de 4.1026 wattscette puissance se dilue dans l'espace sur une sphère

R

d'où sort ce nombre ???

plusieurs déterminations

l'une est en fait la démarche précedente prise à l'enverson doit connaitre la distance, on mesure la puissance collectéeet on corrige des effets de l'atmosphère

les autres : plus tard, méthodes fondées sur les propriétés communesà diverses classes d'étoiles

!


alors : energie solaire ?? oui, mais....

l'atmosphère réduit la puissance disponible(une partie non négligeable du rayonnement solaire est absorbée)

notre calcul suppose une surface disposée perpendiculairement à la direction du soleil

durée d'exposition limitée à qqs heures par jour et collection d'energie limitée par les conditions atmosphériques

energie disponible inferieure à l'energie collectee (rendement des installations)

mais tout de même ça vaut le coup ( soleil gratuit pour encore 5 milliards d’années)


illustrations pour deux propriétés de la lumière

propagation rectiligne

diffusion


la propagation rectiligne, c'est déjà pas rien

baton de Jacobséparations angulairescatalogue Hipparquedistance relative Terre-Soleiltriangulation

chronométrage des éclipsesdiametres relatifs Terre, Lunedéjà vu

sténopé, (chambre obscure)

do it yourself !


le sténopé

un moyen - rudimentaire - de donner une représentation de la scène observée (pas tout à fait une image)

!


intermède pour la diffusion : un exemple de la vie courante

la nuit, on éclaire la route avec les phares de la voiture,on voit mieux la route par temps sec que par temps de pluie, pourquoi ?

quand elle est mouillée, la route "fait miroir", elle diffuse moins, la majeure partie de la lumière reçue subit une reflexion "speculaire"il en reste moins pour le conducteur

Quand la route est sèche, elle diffuse (elle renvoie de l'energie dans toutes les directions) et donc vers le conducteur

en revanche on voit mieux les reflets sur la route des phares et des feux arrières des voitures devant nous


autres exemples de la vie courante

comment ça marche ?soleil rouge au couchant, nuages pourpres, lune rousse

ciel bleu, nuages blancs (ou gris)

faites l'experience : un verre d'eau opalisée avec une goutte de lait(ou de pastis ? très leger alors, ou sirop d'orgeat)

à travers le liquideon voit unelumière rougeâtrede profil

on voit unecouleur bleutéedu coté source

une même réponse : diffusion


ciel bleu : ça marche comment ?diffusion par les molécules présentes dans l'airle bleu est dévié sur le coté, il est diffusé

le rouge va tout droitle bleu ne vient pasjusqu'ici

ici on voitplutôtdu bleu


rouge au couchant ou au lever : c'est juste la suite attendue

la terre

l'atmosphère

soleil ou lune, bas sur l'horizontraversent beaucoup d'atmosphèrela lumière nous arrive privée de bleu : il reste le rouge

hors de la direction du soleilc'est plutôt la lumière diffusée qui vient vers nousça donne le bleu du ciel

!


et les nuages ? diffusion encore

certains diffusent toutes les couleurs de la même façon (diffusion par les goutelettes)on reçoit toutes les couleurson voit donc du blanc

d'autres diffusent toutes les couleursmais absorbent aussion ne reçoit que du gris

bleu du ciel

!


nuages pourpres au crépuscule : une question d'altitude

d'ici on ne voit plusle soleil

à cette altitudeon voit le soleilpas encore au couchantdonc lumière pas trop rougie

à cette altitudeon voit le soleilrouge au couchant

d'ici on ne voit déjà plus le soleil

recommandation : lire "soleil couchant" , José Maria de Heredia et "harmonie du soir", Baudelaire

d'ici on voit la lumière diffusée par une superpositionde nuages


Rappel : la lumière reçue nous renseigne sur la source ET sur les milieux traversés

zones périphériques de la sourcemilieu interstellaire, milieu intergalactiqueatmosphère terrestre

lumière : récapitulonscontenu informatif, et exploitation en Astronomie direction de propagation : positions , forme apparente des astres

distribution spectrale : deux aspectsforme globale (continuum) :

puissance, température, absorption interstellaireécarts locaux (raies spectrales) :

conditions physico-chimiques, température, vitesses

polarisation : milieux anisotropes (magnétisme, matière circumstellaire)

et aussi____________________________________________________________ variabilité temporelle de puissance : pulsation, cataclysmes, binarité

cohérence : temporelle (distribution spectrale) spatiale (dimensions apparentes)

!!


un point sur la situation

nous voilà donc munis de quelques renseignements qui vont aiderà comprendre par où et comment nous pouvons obtenir des connaissances sur les objets de l'univers

en d'autres termes : comment décoder les messagesportés par la lumière

et ensuite ?


la suite ?

il nous faudra introduireune sorte de trousse à outils conceptuelled'usage fréquent en astro

puis nous partirons de l'expérience accessible quotidien et à l'oeil nu ce qui nous conduira à introduire la descriptionde diverses observations et à l'interprétationde divers phénomènes

puis nous aurons un intermède sur les eclipses

puis, pour aller plus loin dans l'investigationnous nous interesserons aux instruments d'observation

il nous faudra ensuite établir une sorte de kit pour construire l'univers

ambition pire grave ?nous verrons bien ( mêm' pas peur ! )

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