Le satellite Planck

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Annales corrigées
Classe(s) : Tle S | Thème(s) : Temps, mouvement et évolution
Type : Exercice | Année : 2012 | Académie : Sujet zéro
Unit 1 - | Corpus Sujets - 1 Sujet
 
Le satellite Planck

Ondes et particules

Corrigé

2

Observer

pchT_1200_14_00C

Sujet zéro

Exercice 1 • 6 points

L’usage d’une calculatrice est autorisé.

Ce sujet ne nécessite pas de feuille de papier millimétré.

1. Synthèse : la mission « Planck »

Les astrophysiciens tirent des informations précieuses de l’étude du rayonnement électromagnétique provenant de l’Univers. Le satellite Planck a été conçu pour détecter une partie de ce rayonnement afin de mieux connaître l’origine de l’Univers.

> À l’aide des documents et en utilisant vos connaissances, rédiger, en 30 lignes maximum, une synthèse argumentée répondant à la problématique suivante : Comment les informations recueillies par le satellite Planck permettent-elles de cartographier « l’Univers fossile » ? (4 points)

Pour cela, présenter le satellite Planck et sa mission. Préciser ensuite les principales caractéristiques du rayonnement fossile (source, nature, intensité et direction, longueur d’onde dans le vide au maximum d’intensité λmax). Justifier alors l’intérêt de réaliser des mesures hors de l’atmosphère et conclure enfin sur la problématique posée, en expliquant notamment le lien entre cartographie du rayonnement et cartographie de l’Univers.

Document 1

Découverte du rayonnement fossile

En 1965, afin de capter les signaux de l’un des premiers satellites de télécommunication, deux jeunes radioastronomes du laboratoire de la Bell Telephone, Penzias et Wilson, entreprennent d’utiliser une antenne de 6 mètres installée sur la colline de Crawford, à Holmdel (États-Unis). À leur grande surprise, les deux scientifiques tombent sur un étrange bruit de fond radio issu de toutes les directions du ciel.

La très faible intensité du signal détecté ne varie ni au fil du jour, ni au cours des saisons. Ce signal est étranger au Soleil et à la Voie Lactée.

Penzias et Wilson viennent de détecter le « rayonnement fossile ». Ils reçoivent le prix Nobel en 1978.

Très vite, le rayonnement fossile permettra de construire la « première image de l’Univers ». Il lèvera le voile sur une époque cruciale : quelques centaines de milliers d’années après le Big Bang. À cette époque, des grumeaux de matière se sont déjà assemblés afin de constituer les embryons de nos galaxies.

À force d’analyse et de déduction, les spécialistes sont parvenus à retracer ce qu’a pu être le parcours du rayonnement cosmique :

L’Univers a rapidement été composé de matière « ionisée » dans laquelle la lumière ne se propage pas ; les grains de lumière, les photons, se heurtent aux particules, sans cesse absorbés puis réémis en tous sens. Le cosmos se comporte alors comme un épais brouillard.

Puis l’Univers se dilate, la température s’abaisse. Pour une valeur de la température de l’ordre de 3 ×103 K, les électrons s’assemblent aux protons. On entre alors dans l’ère de la matière neutre : les charges électriques s’apparient et se compensent. Les atomes se créent. L’Univers devient transparent : quelques centaines de milliers d’années après le Big Bang, le rayonnement émis par l’Univers se comportant comme un corps noir peut alors se propager librement. Le rayonnement fossile détecté de nos jours a ainsi cheminé pendant près de quatorze milliards d’années. Durant cette période, l’Univers s’est dilaté, expliquant ainsi que le rayonnement fossile perçu à l’heure actuelle correspond au rayonnement émis par un corps noir à la température de 3 K.

D’après http://www.cnrs.fr/cw/dossiers/dosbig/
decouv/xcroire/rayFoss/niv1_1.htm

Document 2

Atmospheric opacity versus wavelength (Opacité de l’atmosphère en fonction de la longueur d’onde)


D’après Wikipédia.

Document 3

Matière et rayonnement

Loi de Wien : λmax . T =A.

A est une constante telle que A= 2,9 mm . K.

λmax est la longueur d’onde dans le vide au maximum d’intensité émise par le corps noir de température T.

L’intensité du rayonnement émis par une source dépend de sa densité de matière.

Document 4

Domaines du spectre électromagnétique en fonction de la longueur d’onde (échelle non respectée)


Document 5

Lancement du satellite Planck


Le satellite Planck a été lancé le 14 mai 2009 par Ariane 5 depuis le centre spatial guyanais de Kourou. Les premières observations du ciel ont commencé le 13 août 2009 pour 15 mois de balayage du ciel sans interruption.

Planck balaie l’intégralité du ciel et fournit une cartographie du rayonnement cosmique fossile.

Le signal détecté varie légèrement en fonction de la direction d’observation.

L’analyse du signal permet de révéler l’inhomogénéité de l’Univers primordial. Ces observations donnent des informations uniques sur l’origine et l’assemblage des galaxies, et permettent de tester différentes hypothèses sur le déroulement des premiers instants qui ont suivi le Big Bang.

D’après des communiqués de presse du CNES.

2. Analyse du mouvement du satellite Planck

Pour éviter la lumière parasite provenant du Soleil, le satellite Planck a été mis en orbite de sorte que la Terre se trouve toujours entre le Soleil et le satellite. Les centres du Soleil, de la Terre et le satellite Planck sont toujours alignés.

La période de révolution de la Terre et celle du satellite autour du Soleil sont donc exactement les mêmes : 365 jours.

1 Représenter par un schéma les positions relatives du Soleil, de la Terre et de Planck. (0,25 point)

2 Montrer, sans calcul, que cette configuration semble en contradiction avec une loi physique connue. (1,25 point)

3 Proposer une hypothèse permettant de lever cette contradiction. (0,5 point)

Notions et compétences en jeu

Connaître le rayonnement du corps noir • Connaître les lois du mouvement de Newton • Connaître les lois du mouvement de Kepler.

Les conseils du correcteur

Partie 1

On vous demande de rédiger un commentaire argumenté. La consigne est stricte : le nombre de lignes maximal est donné ainsi que ce que vous devez mettre comme contenu.

Vous devez donc écrire un commentaire argumenté et non une réponse télégraphique !

Vous devez développer vos arguments : moins de 30 lignes signifie qu’il en faut au moins une quinzaine !

Le paragraphe après la problématique détaille ce qui est attendu : présentation du satellite puis du rayonnement fossile ; intérêt des mesures hors atmosphère ; rapport entre ce rayonnement et la cartographie de l’univers.

Faites un bilan des documents que vous avez à disposition :

  • le document 2 vous donne des informations sur les caractéristiques du rayonnement fossile ;
  • utilisez le document 3 pour justifier l’intérêt de réaliser des mesures hors atmosphère ;
  • le document 4 reprend la loi de Wien, loi qui relie la température d’un corps noir et la longueur d’onde émise par ce corps. Cette loi a été étudiée en Première S. Vous allez ainsi pouvoir retrouver la valeur de λmax à partir de la température ;
  • le document 5 vous permettra de relier la valeur de λmax avec le domaine électromagnétique ;
  • une présentation du satellite Planck et de sa mission vous sont demandées. Vous trouverez les informations nécessaires dans le document 6.

La problématique est donnée sous la forme d’une question ; vous devez donc conclure en répondant à cette question.

Partie 2

Le mouvement d’un satellite est régi par les trois lois de Kepler (voir lexique en fin d’ouvrage). Physiquement, c’est la deuxième loi de Newton qui explique le mouvement observé.

Corrigé

1. Synthèse : la mission « Planck »

Produire un commentaire argumenté à partir de documents

Info

Un corps noir désigne un objet idéal dont le spectre électromagnétique ne dépend que de sa température. Ce rayonnement est déduit de la loi de Wien.

Le satellite Planck a été mis en orbite en 2009 pour étudier le rayonnement fossile de l’univers, afin de mieux connaître l’origine de celui-ci.

Ce rayonnement fossile a été découvert par hasard en 1965 par deux chercheurs américains. Il est lié à la naissance de l’univers et possède trois caractéristiques principales :

  • il s’agit d’un rayonnement électromagnétique correspondant à un corps noir à la température de 3 K ;
  • il est présent dans toutes les directions ;
  • son intensité est constante quelle que soit la position de la Terre.

Le satellite Planck doit permettre de le mesurer avec une grande précision.

En utilisant la première caractéristique et la loi de Wien (document 4), on détermine la longueur d’onde à laquelle on obtient un maximum d’émission. Cette température de 3 K correspond ainsi à une onde électromagnétique de longueur d’onde λmax= AT= 2,9×1033= 0,97 mm.

D’après le document 5, il s’agit d’un rayonnement à la limite entre l’infrarouge et les micro-ondes. Or, l’atmosphère absorbe une grande partie des rayonnements ayant cette longueur d’onde (document 4). C’est pourquoi l’on recourt à un satellite, placé en dehors de l’atmosphère, pour s’affranchir de cette absorption.

La précision des mesures effectuées par les capteurs du satellite Planck permet de connaître l’intensité du rayonnement fossile dans chaque direction et fournit ainsi une cartographie de ce rayonnement.

Le rayonnement fossile provient des tous premiers instants de l’univers, d’où son nom (document 2). Il a été émis il y a près de 14 milliards d’années, quand l’univers n’était encore âgé que de quelques centaines de milliers d’années.

Remarque

Cette analyse permet de comprendre l’emplacement et l’évolution des galaxies actuelles. En effet, le document 6 indique que « l’analyse du signal permet de révéler l’inhomogénéité de l’univers primordial. Ces observations donnent des informations uniques sur l’origine et l’assemblage des galaxies, et permettent de tester différentes hypothèses sur le déroulement des premiers instants qui ont suivi le Big Bang. »

Il est donc une trace de ce moment où l’univers est devenu transparent, adoptant le comportement d’un corps noir.

L’analyse des très faibles variations du rayonnement fossile permet de cartographier l’univers primitif. Les endroits plus ou moins émetteurs de photons correspondent aux régions plus ou moins chaudes, plus ou moins denses.

2. Analyse du mouvement du satellite Planck

1 Schématiser correctement une situation décrite


Figure 1. Schéma de la configuration Soleil, Terre,
Planck (les orbites ne sont pas exigées)

2 Analyser une situation

Selon la troisième loi de Kepler, le carré de la période de révolution T autour du soleil est proportionnel au cube du demi-grand axe a.

On peut l’écrire T2a3= constante.

Or la Terre et le satellite Planck sont en orbite autour du Soleil mais à des distances différentes. Ils devraient donc avoir des périodes de révolution différentes pour que le rapport T2a3 soit constant. Ceci est en contradiction avec l’alignement des trois corps célestes à tout instant.

3 Proposer une hypothèse cohérente

Remarque

La force gravitationnelle exercée par la Terre sur Planck n’est pas négligeable par rapport à la force exercée par le Soleil et donc la 3e loi de Kepler ne s’applique pas.

L’hypothèse la plus probable pour lever cette contradiction est que le satellite est muni de moteurs qui le propulsent et permettent de corriger sa trajectoire ; il peut ainsi rester derrière la Terre.