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

1. Yves Rabbia, astronome Observatoire de la Côte d'Azur, rabbia@obs-azur.fr 04 93 40 53 59 une première rencontre avec l'astronomieéléments pour illustrer le cours : chapitre 4 lumière

2. lumière« messagère des astres » approche intuitive et definition de travail representations caracterisation contenu informatif et exploitation en astro

3. ! Lumière, premiere approche une définition : nous appelerons Lumière un phénomène de transport d'énergie et/ou d'information entre 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 mathématique qui 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)

4. nerf optique stimulus energie oeil cerveau mémoire Lumière : c'est quoi ? c'est ce qui nous permet de voir (?) cette réponse intuitive est très insuffisante en fait la lumière n'est qu'un élément d'une chaine voir : c'est quoi ? pour l'instant contentons nous de dire : la lumière, c'est de l'énergie qui arrive sur l'œil voir, c'est recueillir et traiter l'information portée par cette energie mais l'energie c'est quoi ???

5. recepteur avant recepteur après 0 1 + Energie question : energie , c'est quoi ?? l'energie une notion abstraite, qui a donné naissance à une grandeur physique Pour notre propos, ici nous dirons c'est ce qui est capable de modifier l'état d'un « récepteur »

6. ! source des stimuli oreille peau langue nez stimulus signal cerveau energie stimuli capteurs gestion des données influx nerveux mémoire transport capteur enregistreur ordinateur source stimulus réponse nos sens : des chaines de détection la description précédente s'applique aux autres organes des sens

7. 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

8. la vision : principe _2 une image, un tableau de nombres : il y a un lien direct le cerveau reçoit un ensemble de nombres qu'il sait ranger en un tableau reproduisant la disposition des capteurs de la rétine: 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 0000000 1110111 1111111 0011100 0011100 0000000

9. ! une représentation intuitive : trajectoire, rayons de lumière propagation rectiligne une autre représentation intuitive: idée de front d'énergie qui s'étend et se dilue dans l'espace comme des vagues qui s’étendent sur l’eau comment la lumiere transporte-t-elle de l’energie ? deux concepts sous-jacents : rayons et fronts d’onde attention : intuition insuffisante non applicable en espace courbe et aux distances cosmologiques

10. rayon ! capteur une synthèse des intuitions initiales les rayons illustrent la direction de propagation de l'énergie portée par les fronts source front d’onde ici, l'intuition conduit à dire les rayons sont localement normaux aux fronts d'energie ( démontré avec théorème de Malus) on y reviendra

11. ! des représentations successives pour la lumière ( à grands traits) de l'antiquité au 17eme siècle rayons lumineux commode, 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 trajectoires mais contradictions avec l'experience, comportements inexpliqués 18eme et 19eme siècles modèle physique, lumière = onde Huyghens, Young, Fresnel, Arago, Maxwell, ..... 20eme siècle resurgence du modèle corpusculaire : les photons (Einstein) 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 ? 20eme siècle : synthèse avec les quantons électrodynamique quantique ( ni onde ni photon)

12. ! milieu traversé source récepteur émission propagation absorption photons ondes photons quel modèle retenir ? ça dépend de ce qu'on veut décrire les rayons : modèle empirique, pas de concept physique en soutien propagation rectiligne en milieu homogène, retour inverse, reflection, refraction, diffusion optique géométrique (lentilles, miroirs, ...) ==>localisation et forme des images modèle ondulatoire : concept de champ électromagnétique dispersion, diffraction, interférences, surface d'onde, formation des images, couleurs, cohérence, polarisation modèle corpusculaire : le photon, objet quantique émission, absorption, interaction matière lumière en bref :

13. et abusivement simpliste explications à l’oral synthese pictorielle

14. A E H P comment se figurer les différents modèles rayon juste une commodité opératoire pas de modele physique en soutien onde électromagnétique influence reciproque entre champ electrique et champ magnetique et propagation résultante photon comme un projectile avec une trajectoire et vehiculant de l'énergie

15. période lumière décrite par des ondes ! amplitude A temps lumière décrite par des photons la couleur que nous percevons dépend de la frèquence paramètres clef associés aux modèles fréquence n : nbre de périodes par seconde (nbre d’oscillations) unité Hertz ou s-1 ( lumière visible : 3. 1014 Hz) energie recueillie : E = A2x temps de pose (unité : joule) energie recueillie avec un photon : E = h.n joule h = constante de Planck 6 . 10-34 Joule.seconde

16. ! indice de réfraction : ça va moins vite ! dans un milieu matériel (transparent) l’energie avance moins vite que dans le vide la frequence ne change pas la longueur d’onde est raccourcie le ralentissement est quantifié par l’indice optique « n », ou indice de réfraction il caracterise le milieu : dans le vide n=1 dans un milieu materiel n > 1 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 lmilieu = lvide/n

17. nbleu > nrouge « bleu » va moins vite que « rouge » n dépend du milieu L’indice de refraction depend de la longueur d’onde

18. dans le milieu matériel la longueur d’onde est plus courte on avance au meme rythme que dans le vide mais avec des pas plus petits lmilieu = lvide/n et v = c/n distance un peu comme à velo : ça monte, on change de braquet pour garder le meme rythme de pedalage propagation distance n distance parcourue entre deux points si on traverse un milieu matériel le trajet et le temps de parcours sont plus longs B vitesse c vitesse c/n vitesse c chemin geometrique L chemin optique n.L t2 t1 A illustration : influence de l'indice (encore une couche ! ) temps

19. ! La Lumière, paramètres clefs suite recapitulative vitesse de propag : dans le vide c = 3.108 m/s, dans un milieu matériel v = c/n où intervient ce qu'on appelle l'indice optique "n" toujours > 1 (il agit donc comme un frein) pour le vide (par extension ) n = 1 fréquence n: elle ne dépend pas du milieu où a lieu la propagation longueur d'onde l : longueur de propagation pendant une période elle dépend du milieu , par l'intermédiaire de l'indice "n" dans le vide l = c / n = vitesse/frequence etdans un milieu matériel lmilieu= lvide/n

20. ! propagation rectiligne distribution spectrale de puissance c'est-à-dire comment est répartie la puissance sur les diverses fréquences la polarisation : l'information portée par la lumière localisation angulaire de la source distribution spatiale d'intensité lumineuse physionomie de la source observée composition chimique de la source composition chimique du milieu traversé température puissance totale émise processus physico chimiques mouvements et champs de vitesses anisotropie du milieu émissif et des milieux traversés d'une manière générale la lumière nous renseigne sur la source et sur les milieux qu'elle traverse

21. ! i ' i incident réfléchi r n réfracté reflexion diffusion propagation rectiligne : refraction, reflexion, diffusion refraction

22. ! n 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 milieu le rayon refracté s’approche de la normale au dioptre r < i i ' i réfléchi incident r réfracté

23. empilement de prismes d'angles appropriés la déviation augmente avec l'angle d’arrivée (angle d’incidence) i ' i incident réfléchi r n réfracté faisceau de rayons parallèles front d'onde front d'onde point de convergence foyer axe principal distance focale foyer avec la réfraction .....on redécouvre l'optique géométrique nous reviendrons là-dessus à propos des instruments

24. i ' i incident réfléchi C Foyer Centre de courbure mais il y a aussi la refexion .....utilisation de miroirs vision intuitive et phenomenologique : on considère le miroir comme localement plan au point d’impact du rayon incident

25. ! distribution spectrale de puissance lumineuse : les couleurs, le spectre de la lumière visible observation aujoud'hui familière, (Newton, 18eme siecle) trouvez l’erreur décomposition de la lumière blanche la lumière transporte plusieurs couleurs

26. ! une remarque on associe longueur d'onde et couleur ou bien fréquence et couleur couleur : ça fait penser à la lumière visible 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

27. ! domaine perçu par l'oeil spectre electromagnétique : éventail des "couleurs" échelle horizontale en mètres qui décide des limites des domaines ??

28. ! la fréquence augmente la longueur d'onde augmente spectre electromagnétique : autre présentation

29. plusieurs domaines en infrarouge naissance d'étoiles (infrarouge) pourquoi aller chercher hors du visible ? certains comportements de la lumière ne se manifestent que hors du visible on peut dire que selon la longueur d'onde ce n'est pas le même objet que l'on regarde (processus physiques différents) domaine visible domaine X des images en radio ?? trocoul

30. et d'où vient la lumière ? sources naturelles, sources artificielles mais d’une manière générale et en raccourci (on y reviendra) : très schématiquement la lumière ( photons) resulte de l’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

31. sources naturelles de lumière attention , distinction à faire source réelle ou réflecteur ?

32. titre de la premiere diapo sources artificielles de lumière

33. P(l) comment se distribue l'énergie lumineuse d'une source en fonction de la fréquence (ou de la longueur d'onde) ?? pas pareil selon le mode de fabrication du rayonnement ! ? l ! • 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 éléments chimiques thermique laser HeNe distribution spectrale de puissance lumineuse

34. Joseph von Fraunhofer 1787_1826 decouverte raies d'absorption dans le spectre du rayonnement du soleil mais aussi Wollaston, 1802 Gustav Robert Kirchhoff 1824-1887 interpretation de la formation des raies d'absorption dans le spectre du soleil (details plus loin) ouverture d'un nouveau moyen d'étude : naissance de l'astrophysique (?) spectres : un moyen puissant pour le décodage des messages de la lumière

35. Joseph Niepce 1765-1833 1826 1840 Louis Daguerre 1787-1851 coup de bol :la photographie arrive à la même époque que la spectro John W. Draper 1811_1882 c'est vraiment avec l'association spectro+photo que l'astrophysique prend son essor (images et spectres)

36. ! 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 : velocimétrie étoiles doubles, exoplanètes cartographie de notre galaxie en radio profil des raies spectrales  conditions physiques temperature, rotation de la source (doppler), gravité distances, ....

37. ! cerise petit pois spectro «à l’œil » absorption selective, couleur des corps 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 ) 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 . Pourquoi les cerises sont rouges ? et pourquoi les petits pois sont verts ? mais les petits poissons rouges ? oui, oui, d'accord

38. ! ! ! courbes de Planck spectres de rayonnement thermique 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) lmax.T  3000 mm.K° spectro presque à l’œil : photometrie grossièrecouleur et température : plus chaud  plus bleu

39. profil de base : sorte de gaussienne distordue (courbe en cloche déformée, courbe de Planck) signature du rayonnement de type thermique ! thermique exemple : spectres stellaires, physionomie générale un profil de base et des « motifs » affectant ce profil motifs spectraux : raies spectrales : signature des éléments présents et signature des conditions physiques

40. ! illustration pour distribution spectrale (raies spectrales) spectres continu et discret avec émission et absorption ( Kirchhoff) ça c'est un spectre observé sur étoile (l, intensité) (échelle verticale logarithmique)

41. ! plusieurs millions de K quelques milliers de K le gaz « froid » de la périphérie de l'étoile absorbe à diverses longueurs d’onde particulières la lumière venant de l’interieur chaud froid illustration pour distribution spectrale (suite) interprétation des raies spectrales d'absorption en astro

42. ! spectro : chaque élément a un spectre de raies qui le révèle carrément comme des empreintes digitales ou comme un "code barre" Sodium Hydrogene Calcium Mercure Neon

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

44. une raie spectrale doit se trouver à lsourcedans le spectre mais on l'observe décalée à lobs = lsource+Dl le décalage spectral Dl est lié à la vitesse de la source ( sa projection sur la ligne de visée) par la relation : Dl / lsource= v / c = z le paramètre z est appelé le décalage doppler (ou doppler shift) v : composante radiale composante transversale V: vecteur vitesse de la source L ’effet Doppler : signature d'une vitesse radiale 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))

45. message de l ’étoile, carte d ’identité, code barre Longueur d’onde temps décalage spectral temps l'effet Doppler fonde la vélocimétrie : le mouvement des raies spectralesest la signature d'une vitesse radiale variable

46. 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'étoile qu'on observe la planète n'est pas assez brillante pour être observable crédit E. Pecontal, obs. Lyon

47. P(l) P(l) l l autre apport de l'effet dopplerla rotation des étoiles révélée par le profil des raies spectrales pour l'étoile en rotation une partie vient vers nous l'autre partie s'éloigne les raies venant de chaque partie sont décalées par le mouvement le profil de la raie subit un élargissement dépendant de la vitesse de rotation et corrélativement par conservation de l'energie on a : elargissement  reduction de la profondeur

48. noter le profil en ligne brise (pente exagérée sur ce dessin) on isole par une fente une partie de l'image et on disperse s'approche s'éloigne un exemple avec la rotation de Saturne et de ses anneaux

49. cartographie doppler de la voie lactée (radio astronomie) mais il faut un modèle de rotation et tenir compte du mvmt du soleil • exploitation de l'effet doppler • avec la raie spectrale de l'hydrogène • = 21 cm (domaine radio) vitesse orbitale vitesse radiale centre galactique vitesse orbitale vitesse radiale vitesse orbitale vitesse radiale

50. comme les rides sur l'eau, après un "plouf", l'énergie initiale se dilue ! avec la lumière, l'énergie initiale se répartit sur la surface sphérique 4.p.R2, la surface d'onde (et les rayons ??) R Quand la sphère s'agrandit, l'énergie se conserve mais l'unité de surface sur la sphère voit varier en 1/R2 l'énergie qui lui parvient parlons un peu d'énergie :