La structure de l’univers

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Annales corrigées
Classe(s) : 3e | Thème(s) : Organisation et transformations de la matière
Type : Exercice | Année : 2018 | Académie : Inédit

Sujet inédit

physique-chimie • 25 points

La structure de l’univers

En 5 ans de mission, le télescope spatial Kepler a découvert quelque 900 planètes potentielles en scrutant des milliers d’étoiles. Mais la découverte d’une nouvelle exoplanète pourrait représenter un pas majeur pour les astronomes. Nommée Kepler-186f, elle se trouve dans la constellation du Cygne à environ 500 années-lumière de nous. Sa particularité ? Elle présenterait une taille similaire à celle de la Terre et serait située dans la zone habitable de son étoile.

Document 1 Les étoiles et les galaxies

Dans l’Univers, les galaxies sont regroupées en paquets par dizaines (voire bien plus), constituant ce qu’on appelle des « amas de galaxies ». Ces amas sont eux-mêmes reliés par un réseau de filaments qui, lorsqu’ils se rencontrent, forment des « superamas » : les plus grandes structures de l’Univers. Ces ensembles vertigineux contiennent la quasi-totalité de la matière : celle qui forme les atomes constituant les planètes et les étoiles, mais également la très mystérieuse matière noire…

Notre superamas, baptisé Laniakea, un terme hawaïen qui signifie « horizon céleste immense », contient environ 100 000 grosses galaxies et près d’un million plus petites.

Source : sciencesetavenir.fr

Document 2 La gravité de surface sur Kepler-186f

La détection de Kepler-186f, une exoplanète pratiquement de la taille de la Terre, est un pas de plus vers la découverte d’une exoplanète semblable à la Terre. La prochaine étape, ce sera de connaître sa masse, la composition de son atmosphère et la température de sa surface. La gravité de la planète dépend de sa masse, l’existence de l’atmosphère dépend lui du champ magnétique de la planète.

Dans l’état actuel de nos connaissances, Kepler-186f serait une planète rocheuse avec une gravité de surface comparable à celle de la Terre, de l’ordre donc de gK = 10 N/kg ce qui rendrait les mouvements possibles et agréables. À titre de rappel, la gravité sur notre Lune (gL = 1,6 N/kg) rendait les mouvements très lents et les travaux d’installation difficiles à nos astronautes.

1. Cocher la ou les bonnes réponses à l’aide de vos connaissances et des deux documents.

a) Comment se groupent les amas de galaxies ?

en galaxies

en millions d’étoiles

en superamas de galaxies

b) De quoi sont constituées les planètes et étoiles ?

de matière noire

de noyau d’atomes

d’atomes

c) Quels sont les constituants de l’atome ?

les nucléons

un noyau et des électrons

des nucléons et des électrons

d) L’atome de carbone contient 6 électrons. Son noyau est constitué de :

3 protons et 3 neutrons

6 protons et 6 neutrons

6 nucléons

e) La gravité à la surface d’une planète dépend :

de sa masse

de l’existence de l’atmosphère

du champ magnétique

▶ 2. Kepler-186 se trouve à environ 500 années-lumière de nous. L’année-lumière est la distance parcourue par la lumière en une année.

a) Combien d’années met la lumière de l’étoile Kepler-186 pour nous parvenir ?

b) Démontrez par calcul qu’une année-lumière fait 9,5 × 1012 km, sachant qu’une année contient 365 jours et que la vitesse de la lumière est c = 300 000 km/s.

c) Donner la distance qui nous sépare de Kepler-186 en km.

 3. À l’aide du document 2, comparons les poids sur la planète Kepler-186f et sur la Lune d’un astronaute de masse m = 70 kg.

a) Calculer le poids de l’astronaute sur Kepler-186f.

b) Calculer son poids sur la Lune et comparer au poids sur Kepler-186f.

c) Un astronaute « flotte » sans toucher le sol dans la station spatiale en orbite autour de la Terre. Comment qualifie-t-on cet état où l’astronaute ne sent pas son poids ?

Les clés du sujet

Comprendre les documents

Le document 1 décrit la structure des amas et superamas de galaxies et donne la constitution de la matière de ces structures géantes.

Le document 2 nous informe sur les propriétés des planètes : masse, température, gravité à la surface. C’est dans ce document que tu trouveras les constantes de gravité qui te permettront de calculer les poids.

Répondre aux questions

 1. Relis le document 1 et le début du 2. En ce qui concerne l’atome, il s’agit de questions de cours que tu dois bien connaître.

 2. a) Aucun calcul n’est nécessaire pour répondre à cette question. Lis bien la définition de l’année-lumière qui est donnée.

b) Utilise la définition de l’année-lumière et la formule qui lie la vitesse à la distance et au temps pour convertir une année-lumière en kilomètres.

 3. a) et b) Applique la relation entre le poids et la masse pour ces calculs.

c) Que se passe-t-il lorsqu’il n’y a pas de pesanteur ?

Corrigé

Corrigé

▶ 1. a) Les galaxies se groupent en superamas de galaxies.

b) Les planètes et étoiles sont constitués d’atomes.

c) L’atome est constitué d’un noyau et d’électrons mais aussi de nucléons et d’électrons car le noyau est constitué de nucléons.

d) Le noyau de carbone contient 6 protons et 6 neutrons.

e) La gravité sur une planète dépend de sa masse (voir document 2).

▶ 2. a) La lumière de cette étoile met 500 années à nous parvenir.

Conseil

Il s’agit d’une conversion, certes, mais il faut faire un calcul. Utilise la formule v=dt et sois rigoureux. N’oublie pas non plus de convertir une année en secondes.

b) La vitesse de la lumière c, la distance d = 1 al et le temps t = 1 an sont liés par c=dt avec c = 300 000 km/s et t = 1 an = 365 jours = 365 × 24 h = 365 × 24 × 3 600 s.

D’où t = 31 536 000 s = 3,2 × 107 s.

D’autre part d = 1 al = c × t = 300 000 × 3,2 × 107 = 9,5 × 1012 km.

c) La distance qui nous sépare de Kepler-186 est d = 500 al, ce qui donne :

d = 500 × 9,5 × 1012 = 4,7 × 1015 km.

Remarque

La masse reste inchangée sur tous les astres, elle vaut ici m = 70 kg.

3. a) Le poids est donnée par la relation P = m × g.

Sur Kepler-186f : PK = m × gK = 70 × 10 = 700 N.

b) Sur la Lune : PL = m × gL = 70 × 1,6 = 112 N.

Le poids sur la Lune est en effet environ 7 fois plus faible que sur Kepler-186f.

c) Dans la station spatiale l’astronaute est en impesanteur.