L’effet Doppler constitue un moyen d’investigation utilisé en astrophysique Il permet de déterminer la vitesse des astres à partir de l’analyse spectrale de la lumière que ceux-ci émettent.
Cet exercice s’intéresse à deux applications distinctes, à savoir le modèle d’Univers en expansion et la détection d’une étoile double « spectroscopique ».
Les documents utiles à la résolution sont rassemblés en fin d’exercice.
Donnée
- $\pu{1 \text{\AA}} = \pu{0,1 nm}$.
Preuve de l’expansion de l’Univers
- En utilisant le document 3, déterminer la longueur d’onde médiane du doublet de $\ce{Ca^{2+}}$ dans le spectre de la galaxie nommée : NGC 691.
Sachant que la longueur d’onde médiane $\lambda_0$ de ce doublet mesurée sur Terre pour une source au repos est de $\pu{5268 \text{\AA}}$, calculer le « redshift » $z$ caractérisant le décalage vers le rouge de cette galaxie, défini dans le document 1.
Réponse
- $\lambda_{\text{moy}} = \pu{5315 \text{\AA}}$.
- $ z = \dfrac{\pu{5315 \text{\AA}} - \pu{5268 \text{\AA}}}{ \pu{5268 \text{\AA}} } = \pu{8,922e-3} $. Le décalage en longueur d’onde du à l’éloignement de la galaxie représente environ 0,1 % de la longueur d’onde initiale.
- Calculer la vitesse d’éloignement de la galaxie NGC691 par rapport à la Terre.
Réponse
- $V = c z$ donc $V = \pu{2,99792e8 m.s-1} \times \pu{8,922e-3} = \pu{2,675e6 m.s-1} = \pu{2675 km.s-1}$.
- À l’aide des documents 1 et 2, établir dans le cas non relativiste, la relation entre la vitesse d’éloignement $V$ de la galaxie et sa distance $d$ à la Terre, montrant que $V$ est proportionnelle à $d$.
Réponse
Lorsque le décalage vers le rouge est petit, $V = c z$ et $z = \dfrac{H_0 d}{c}$ donc $ V = c \, \dfrac{H_0 d}{c} = H_0 d$. La vitesse d’éloignement de la galaxie est bien proportionnelle à son éloignement.
- À partir des valeurs du nombre $z$ données dans le document 2, montrer que l’expression utilisée pour calculer la vitesse d’éloignement des galaxies donnée dans le document 1 n’est pas applicable dans tous les cas.
Réponse
Dans le document 1, il est indiqué que $V = cz$. Si on applique cette relation pour $z > 1$ comme le suggère la dernière phrase du document 2, on obtient $V > c$ ce qui est impossible puisque la célérité $c$ de la lumière est une vitesse limite que les corps qui possèdent une masse ne peuvent même pas atteindre (il n’est donc pas question qu’ils la dépassent).
Détection d’une étoile double « spectroscopique »
On appelle « étoile double » un système stellaire composé de deux étoiles proches en orbite autour du même point (ce point étant le centre d’inertie $G$ du système). Une étoile double « spectroscopique » est constituée de deux astres trop proches pour être séparés par un télescope optique et ne peut être détectée que par l’étude de son spectre à haute résolution. Le mouvement des deux étoiles provoque en effet un léger déplacement des raies d’absorption du spectre par effet Doppler.
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Dans les questions suivantes, on suppose que les deux étoiles $A$ et $B$ décrivent des orbites circulaires de même rayon $R$, avec la même vitesse $V = V_A = V_B$. La période de rotation commune aux deux étoiles $A$ et $B$ est notée $T$ : c’est la période de l’étoile double.
- Expliquer pourquoi, dans la situation décrite sur le document 4, on $λ_A > λ_B$.
Réponse
Le document 4 présente une configuration dans laquelle l’étoile $A$ s’éloigne de l’observateur et l’étoile $B$ s’en rapproche. Si on applique les résultats du cours sur l’effet doppler, on en déduit que, lorsque le même rayonnement de fréquence $f$ quitte $A$ et $B$, l’observateur $A$ doit percevoir une fréquence $f_A < f$ et l’observateur $B$ doit percevoir une fréquence $f_B > f$. Si on traduit ceci en terme de longueurs d’onde (cf. Univers en expansion), $\lambda_A > \lambda$ (décalage vers le rouge) et $\lambda_B < \lambda$ (décalage vers le bleu).
- Sachant que l’effet Doppler ne se manifeste pas lorsque le vecteur vitesse de la source est perpendiculaire à la direction de visée, compléter en justifiant le tableau de l’ANNEXE À RENDRE AVEC LA COPIE. Schématiser sans souci d’échelle le spectre correspondant à chaque configuration et montrer que l’évolution temporelle de ces spectres est périodique de période $T/2$.
Réponse
- $lambda_A = \lambda_B$ pour les configurations 2 et 4 puisqu’elles correspondent à des situations dans lesquelles la distance relative entre l’émetteur et le récepteur ne varie pas.
- $lambda_A > \lambda_B$ pour la configuration 1 puisqu’elle correspond à une situation dans laquelle $A$ s’éloigne et $B$ se rapproche. En effet dans cette situation, si on note $\lambda$ la longueur d’onde du rayonnement émis, les résultats du cours sur l’effet doppler conduisent à $\lambda_A > \lambda$ et $\lambda_B < \lambda$, donc $\lambda_A > \lambda_B$.
- $lambda_A < \lambda_B$ pour la configuration 3 puisqu’elle correspond à une situation dans laquelle $B$ s’éloigne et $A$ se rapproche. En effet dans cette situation, si on note $\lambda$ la longueur d’onde du rayonnement émis, les résultats du cours sur l’effet doppler conduisent à $\lambda_A < \lambda$ et $\lambda_B > \lambda$, donc $\lambda_A < \lambda_B$.
- Puisque $T$ est la période du mouvement des étoiles, elles effectuent un tour d’orbite en $T$ secondes. Les configurations 2 et 4 sont donc séparées de $T/2$ secondes dans le temps. De même il faut $T/2$ secondes aux étoiles pour passer de la configuration 1 à la configuration 3.
- En utilisant les spectres du document 5 qui montrent l’évolution temporelle de la position de la raie $\ce{Hα}$ dans le spectre de l’étoile double HD 80715, vérifier que la période $T$ de celle-ci est voisine de 3,8 jours.
Réponse
- Sur le document 5, on devine une configuration semble aux configurations 2 et 4 à la date $t_1 = \pu{0,061 jours}$ puisque les deux longueurs d’onde sont confondues.
- Il faut attendre la date $t_2 = \pu{2,038 jours}$ pour retrouver complètement une telle configuration.
- À la question 6. on a montré que ces configurations sont séparées de la durée $T/2$, donc $T = 2 (t_2 - t_1)$.
A.N. $T = 2 \times (\pu{2,038 jours} - \pu{0,061 jours}) = \pu{4,0 jours}$.
Documents de l’exercice
Document 1 : principe de l’effet Doppler
On note $λ_0$ la longueur d’onde de référence de la raie étudiée dans le spectre (source immobile par rapport à l’observateur) et $\lambda$ la longueur d’onde de la radiation émise par la source en mouvement.
Lorsqu’une étoile s’éloigne de la Terre, on observe un décalage vers les grandes longueurs d’onde appelé « redshift » et caractérisé par le nombre $z = \dfrac{\lambda - \lambda_0}{\lambda_0}$.
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La formule de Doppler donne la vitesse d’éloignement $V$ de la source lumineuse par rapport à l’observateur terrestre dans le cas non relativiste : $$V = c \, \dfrac{\lambda - \lambda_0}{\lambda_0}$$ $c$ est la célérité de la lumière dans le vide ($c = \pu{2,99792e8 m.s-1}$).
Document 2 : Décalage vers le rouge
En 1930, Edwin HUBBLE avait constaté expérimentalement que plus les galaxies étaient lointaines, plus leur spectre présentait un décalage vers le rouge important.
Le « décalage vers le rouge », qui sera appelé « redshift » apparaît, quand il est petit, comme proportionnel à la distance : $z = \dfrac{H_0 d}{c}$ où $H_0$ est une constante appelée constante de Hubble.
Ce décalage est traditionnellement interprété comme étant dû à la vitesse d’éloignement des galaxies. Cette interprétation, si elle est vraie pour les « redshifts » petits est en fait fondamentalement erronée dans une perspective de relativité générale. Les « redshifts » observés vont d’une fraction de l’unité pour la plupart des galaxies, à 4 ou 5 pour les objets plus lointains, quasars, ou certaines autres galaxies.
Document 3 : Extrait du spectre NGC 691
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Document 4
Effet du mouvement des deux composantes d’une étoile double sur une raie d’absorption si l’axe reliant les deux étoiles est perpendiculaire à l’axe de visée.
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On note : $\lambda_A$ la longueur d’onde de la raie provenant du spectre de l’étoile $A$ et $\lambda_B$ la longueur d’onde de la raie provenant du spectre de l’étoile $B$.
Document 5 : Évolution temporelle de la position de la raie $\ce{Hα}$ dans le spectre de l’étoile HD 80715
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Annexe à rendre avec la copie
Annexe à téléchargerRessources pour encore mieux maîtriser le sujet
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Astrophysics: Binary Star System Velocity Curves of a Binary Star System : Lien vers la ressource
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Doppler Effect, Binary Stars, Neutron Stars, Black Holes : Lien vers la ressource