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Effet Doppler-Fizeau en astrophysique

Posté par
Witaek
17-02-19 à 17:38

Bonjour à tous ! Un exercice de physique me tracasse un (quelques unes de ses questions du moins ) et j'espère trouver un peu d'aide par ici. Voici l'énoncé, suivi des graphiques en annexes :

"Le gaz interstellaire présent au sein des galaxies est repéré par des raies d'émission très intenses.
En respectant certaines conditions d'observation, la mise en évidence du décalage en longueur d'onde vers le rouge de ces raies d'émission a montré que notre univers n'est pas statique : les galaxies s'éloignent les unes des autres, ce qui a été interprété comme la preuve de l'expansion de l'Univers.
Une des raies qui sert de test pour ces observations et celle de “l'hydrogène H_{\alpha }” à exactement 656,3 nm, à condition que la source soit immobile par rapport à l'observateur. On a la relation suivante, dit de Doppler-Fizeau :

\frac{\Delta \lambda }{\lambda _{0}} = \frac{v}{c}


(Valable à condition que la vitesse d'éloignement de l'objet stellaire reste très faible devant la célérité de la lumière).
Dans cette relation:
- \lambda0 est la longueur d'onde dans le vide de la radiation émise par une source au repos;
- \Delta \lambda est la variation de la longueur d'onde observée du fait du mouvement de la source émettrice;
- v est la vitesse du déplacement relatif du nuage stellaire par rapport au cœur de l'étoile, ou du déplacement relatif de la galaxie par rapport à notre Soleil;
- c est la célérité de la lumière dans le vide telle que c = 3,0 x 108 m.s-1.

Les astronomes utilisent l'Angström (Å) pour unité de longueur d'onde, de sorte que 1Å = 0,10nm. Ci-dessous sont donnés des parties “zoomées” des spectres d'émission d'une étoile de notre galaxie, la nova V838 dans la constellation monocéros ( spectre de gauche ),  et d'une célèbre galaxie, messier m77 (spectre de droite).

A partir des spectres donnés et des indications données dans l'énoncé :

a) Déterminer la vitesse d'éloignement, exprimé en m.s-1, de la galaxie m77 par rapport au Soleil.
b)La vitesse d'éloignement d'une galaxie est proportionnelle à la distance ; la constante de proportionnalité H0 est appelée constante de Hubble et vaut approximativement H0 = 77 km.s-1.mpc-1
(1mpc est l'unité de distance appelée “megaparsec” ; 1 parsec pc = 3,26 a.l ou 3,086 x 1016 m )

-Déterminer la distance de la galaxie m77 par rapport au Soleil en m puis en a.l.
-Comparer cette distance à celle de V838 donnée à 20000 a.l ( ou 6,0 kpc ).
-Conclure.
      c) Montrer que le spectre donné sur la figure 10 peut témoigner du fait que le gaz stellaire entourant la nova V838 est en mouvement par rapport au coeur de son étoile.
      d) En regardant le profil de la raie de la galaxie m77 “zoomé” sur la figure 11, peut-on affirmer que la galaxie m77 est en rotation sur elle-même ?"

Voici mes réponses aux première questions ( je raccourcis par soucis d'espace ) :
a) On relève sur la figure \lambda = 661nm
On utilise la relation Doppler-Fizeau pour trouver la vitesse d'éloignement de m77 :
v=\frac{\Delta \lambda\times c }{\lambda _{0}}
On trouve v = 2,1 x 106 m.s-1

b) On établit la relation de proportionnalité v = H0 x d

d = v / H0
d = 8,3 x 1023 m
d= 8,8 x 107 a.l

8,8 x 107 > 20 000

On en conclut que V838 est beaucoup plus proche du Soleil que m77 (4400 fois !)

Les questions c) et d) me posent problèmes pourriez vous m'aider ?

Pour la question c) j'aurais tendance à dire que c'est le léger décalage de la longueur d'onde de la radiation observée  comparé à celle émise (sur le graphe environ 658nm alors qu'on devrait observer 656,3nm ) qui permet de témoigner du fait que le gaz qui entoure V838 est en mouvement par rapport au coeur de son étoile. Cette réponse me semble toutefois incomplète.

La question d) me pose vraiment problème je n'ai aucune piste.

Merci d'avance pour votre aide !

PS: recopier tout l'énoncé m'a pris beaucoup de temps, je m'excuse si j'ai laissé passer des fautes d'orthographe. S'il vous semble qu'il y a une erreur de recopiage, je me ferrai une joie de la corriger !

Effet Doppler-Fizeau en astrophysique

Posté par
Witaek
re : Effet Doppler-Fizeau en astrophysique 18-02-19 à 09:43

Excusez moi de vous solliciter de nouveaux. J'essaye d'attirer votre attention vers mon problème une dernière fois et si cette tentative n'est pas fructueuse je me terrai à jamais (façon de parler biensur)!

Posté par
Witaek
re : Effet Doppler-Fizeau en astrophysique 18-02-19 à 22:46

Posté par
vanoise
re : Effet Doppler-Fizeau en astrophysique 19-02-19 à 15:06

Bonjour
J'ai jeté un coup d'œil à tes calculs. D'accord pour une vitesse d'éloignement de m77 d'environ 2,1.106m/s ( 2,15.106m/s selon mon calcul) . Les ordres de grandeurs des calculs suivants sont aussi corrects.
Concernant V838, sa distance est environ 4500 fois plus faible que la précédente. Selon la loi de Hubble, la vitesse d'éloignement de son cœur est donc environ aussi 4500 fois plus faible que la précédente. Si le gaz entourant le cœur se déplaçait à la même vitesse que le cœur, la variation de longueur d'onde, selon la loi de Doppler, serait donc 4500 fois plus faible aussi, donc quasiment imperceptible. Or l'enregistrement fourni détecte une variation de longueur d'onde un peu plus faible que pour m77 mais loin d'être négligeable (fais les déterminations graphiques si nécessaire). On peut donc conclure que les gaz chauds entourant le cœur s'éloignent plus vite que le cœur.
Pour la dernière question : expérience préliminaire : imagine que tu lances un disque (genre freesbee ) en le faisant tourner sur lui-même. Pour un droitier, la partie gauche du freesbee s'éloigne de toi plus vite que son centre alors que la partie droite s'éloigne de toi moins vite que son centre. Suppose que le nuage de gaz émettant la lumière tourne sur lui-même tout en s'éloignant : les vitesses d'éloignement du gaz ne sont pas les mêmes en tous les points du gaz, leur valeur moyenne étant la vitesse d'éloignement du centre d'inertie du nuage. Les valeurs de varient donc autour d'une valeur moyenne suivant la position dans le nuage de gaz. Il en résulte un élargissement du spectre. En absence de rotation du nuage sur lui-même, on obtiendrait un pic très étroit alors qu'ici on obtient un pic relativement large.

Posté par
Witaek
re : Effet Doppler-Fizeau en astrophysique 19-02-19 à 15:11

Bonjour Vanoise,
Merci beaucoup pour votre réponse claire et illustrée. Tout cela me semble logique mais je n'y aurai jamais pensé de cette façon !
Je m'en vais donc terminer mon exercice, bonne continuation !



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