17.E : Analyse de la lumière des étoiles (exercices)

Pour une exploration plus approfondie

Des articles

Berman, B. « Magnitude cum Laude ». Astronomie (décembre 1998) : 92. La façon dont nous mesurons la luminosité apparente des étoiles est discutée.

Dvorak, J. « Les femmes qui ont créé l'astronomie moderne [y compris Annie Cannon] ». Sky & Telescope (août 2013) : 28.

Hearnshaw, J. « Les origines de l'échelle de magnitude stellaire ». Sky & Telescope (novembre 1992) : 494. Un bon historique de la façon dont nous en sommes arrivés à ce système encombrant est discuté.

Hirshfeld, A. « La magnitude absolue des étoiles ». Sky & Telescope (septembre 1994) : 35.

Kaler, J. « Des étoiles dans la cave : des classes perdues et trouvées ». Sky & Telescope (septembre 2000) : 39. Une introduction est fournie pour les types spectraux et les nouvelles classes L et T.

Kaler, J. « Les origines de la séquence spectrale ». Sky & Telescope (février 1986) : 129.

Skrutskie, M. « 2MASS : Dévoiler l'univers infrarouge ». Sky & Telescope (juillet 2001) : 34. Cet article se concentre sur un levé du ciel à 2 microns.

Sneden, C. « Lire les couleurs des étoiles ». Astronomie (avril 1989) : 36. Cet article inclut une discussion sur ce que nous apprenons de la spectroscopie.

Steffey, P. « La vérité sur les couleurs des étoiles ». Sky & Telescope (septembre 1992) : 266. L'indice de couleur et la façon dont l'œil et le film « voient » les couleurs sont discutés.

Tomkins, J. « Rois célestes d'autrefois et de demain ». Sky & Telescope (avril 1989) : 59. Nous discutons du calcul du mouvement des étoiles et de la détermination des étoiles qui étaient, sont et seront les plus brillantes dans le ciel.

Sites Web

Découverte des nains bruns : http://w.astro.berkeley.edu/~basri/b...SciAm-book.pdf.

Liste des nains bruns à proximité : http://www.solstation.com/stars/pc10bd.htm.

Types spectraux d'étoiles : http://www.skyandtelescope.com/astro...ypes-of-stars/.

Vélocités stellaires https://www.e-education.psu.edu/astr...ent/l4_p7.html.

Des voix inédites ! Les contributions des femmes à l'astronomie : un guide de ressources : http://multiverse.ssl.berkeley.edu/women et http://www.astrosociety.org/educatio...esource-guide/.

Vidéos

When You Are Just Too Small to Be a Star : https://www.youtube.com/watch?v=zXCDsb4n4KU. Conférence publique 2013 sur les naines brunes et les planètes par le Dr Gibor Basri de l'Université de Californie-Berkeley (1:32:52).

Activités de groupe collaboratives

1. L'article Voyagers in Astronomy d'Annie Cannon : Classifier of the Stars de la section 17.3 traite de certaines des difficultés rencontrées par les femmes qui souhaitaient faire de l'astronomie au cours de la première moitié du XXe siècle. Que pense votre groupe de la situation des femmes aujourd'hui ? Les hommes et les femmes ont-ils les mêmes chances de devenir scientifiques ? Discutez avec votre groupe si, selon votre expérience, les garçons et les filles ont été encouragés de la même manière à faire des sciences et des mathématiques là où vous êtes allé à l'école.
2. Dans la section sur les magnitudes de La luminosité des étoiles, nous avons expliqué comment s'est développé cet ancien système de classification de la luminosité des différentes étoiles à l'œil nu. Vos auteurs se sont plaints du fait que cet ancien système doit encore être enseigné à chaque génération de nouveaux étudiants. Votre groupe peut-il penser à d'autres systèmes traditionnels de faire les choses en science et en mesure où la tradition règne, même si le bon sens indique qu'il est certainement possible de trouver un meilleur système ? Expliquez. (Conseil : essayez l'heure d'été ou les unités métriques par rapport aux unités anglaises.)
3. Supposons que vous puissiez observer une étoile qui n'a qu'une seule raie spectrale. Pouvez-vous dire de quel élément provient cette raie spectrale ? Faites avec votre groupe une liste des raisons pour lesquelles vous avez répondu « oui » ou « non ».
4. Un ancien élève fortuné de votre collège décide de donner 50 millions de dollars au département d'astronomie pour construire un observatoire de classe mondiale afin d'en apprendre davantage sur les caractéristiques des étoiles. Demandez à votre groupe de discuter du type d'équipement qu'il installerait dans l'observatoire. Où doit être situé cet observatoire ? Justifiez vos réponses. (Vous pouvez vous reporter au chapitre Instruments astronomiques et revenir sur cette question lorsque vous en apprendrez davantage sur les étoiles et l'équipement pour les observer dans les prochains chapitres.)
5. Pour certains astronomes, l'introduction d'un nouveau type spectral pour les étoiles (comme les types L, T et Y abordés dans le texte) est similaire à l'introduction d'un nouvel indicatif régional pour les appels téléphoniques. Personne n'aime perturber l'ancien système, mais parfois c'est simplement nécessaire. Demandez à votre groupe de dresser une liste des étapes qu'un astronome devrait suivre pour convaincre ses collègues de la nécessité d'une nouvelle classe spectrale.

Questions de révision

1. Quels sont les deux facteurs qui déterminent la luminosité d'une étoile dans le ciel ?
2. Expliquez pourquoi la couleur est une mesure de la température d'une étoile.
3. Quelle est la principale raison pour laquelle les spectres de toutes les étoiles ne sont pas identiques ? Expliquez.
4. De quels éléments sont principalement composées les étoiles ? Comment le savons-nous ?
5. Qu'est-ce qu'Annie Cannon a contribué à la compréhension des spectres stellaires ?
6. Nommez cinq caractéristiques d'une étoile qui peuvent être déterminées en mesurant son spectre. Expliquez comment vous utiliseriez un spectre pour déterminer ces caractéristiques.
7. En quoi les objets des types spectraux L, T et Y diffèrent-ils de ceux des autres types spectraux ?
8. Les étoiles qui paraissent plus claires dans le ciel ont-elles des magnitudes plus ou moins grandes que les étoiles plus pâles ?
9. L'étoile Antares a une magnitude apparente de 1,0, tandis que l'étoile Procyon a une magnitude apparente de 0,4. Quelle étoile apparaît plus brillante dans le ciel ?
10. D'après leurs couleurs, laquelle des étoiles suivantes est la plus chaude ? Lequel est le plus cool ? Archenar (bleu), Betelgeuse (rouge), Capella (jaune).
11. Classez les sept types spectraux de base, du plus chaud au plus froid.
12. Quelle est la différence fondamentale entre une naine brune et une vraie étoile ?

Questions de réflexion

1. Si l'étoile Sirius émet 23 fois plus d'énergie que le Soleil, pourquoi le Soleil apparaît-il plus brillant dans le ciel ?
2. Comment apparaîtraient deux étoiles de luminosité égale, l'une bleue et l'autre rouge, sur une image prise à travers un filtre qui laisse passer principalement la lumière bleue ? Comment changeraient-ils leur apparence sur une image prise à travers un filtre qui transmet principalement de la lumière rouge ?
3. Le tableau\(17.3.1\) de la Section 17.3 répertorie les plages de températures qui correspondent aux différents types spectraux. À quelle partie de l'étoile ces températures se réfèrent ? Pourquoi ?
4. Supposons que l'on vous confie la tâche de mesurer les couleurs des étoiles les plus brillantes, répertoriées à l'annexe J, à l'aide de trois filtres : le premier transmet de la lumière bleue, le second transmet de la lumière jaune et le troisième transmet de la lumière rouge. Si vous observez l'étoile Vega, elle apparaîtra de la même brillance à travers chacun des trois filtres. Quelles étoiles apparaîtront plus claires à travers le filtre bleu qu'à travers le filtre rouge ? Quelles étoiles apparaîtront plus claires à travers le filtre rouge ? Quelle étoile est susceptible d'avoir les couleurs les plus proches de celles de Vega ?
5. L'étoile X possède des raies d'hélium ionisé dans son spectre, et l'étoile Y possède des bandes d'oxyde de titane. Lequel est le plus chaud ? Pourquoi ? Le spectre de l'étoile Z montre des raies d'hélium ionisé ainsi que des bandes moléculaires d'oxyde de titane. Qu'y a-t-il d'étrange dans ce spectre ? Pouvez-vous suggérer une explication ?
6. Le spectre du Soleil comporte des centaines de raies fortes de fer non ionisé, mais seulement quelques raies d'hélium très faibles. Une étoile de type spectral B possède de très fortes raies d'hélium mais des raies de fer très faibles. Ces différences signifient-elles que le Soleil contient plus de fer et moins d'hélium que l'étoile B ? Expliquez.
7. Quelles sont les classes spectrales approximatives des étoiles présentant les caractéristiques suivantes ?
   1. Les lignées Balmer d'hydrogène sont très fortes ; certaines lignées de métaux ionisés sont présentes.
   2. Les raies les plus fortes sont celles de l'hélium ionisé.
   3. Les raies de calcium ionisé sont les plus fortes du spectre ; les raies d'hydrogène ne présentent qu'une intensité modérée ; les raies neutres et les raies de métaux sont présentes.
   4. Les raies les plus fortes sont celles des métaux neutres et des bandes d'oxyde de titane.
8. Examinez les éléments chimiques de l'annexe K. Pouvez-vous identifier un lien entre l'abondance d'un élément et son poids atomique ? Y a-t-il des exceptions évidentes à cette relation ?
9. L'annexe I répertorie certaines des étoiles les plus proches. La plupart de ces étoiles sont-elles plus chaudes ou plus froides que le Soleil ? Est-ce que l'un d'entre eux émet plus d'énergie que le Soleil ? Dans l'affirmative, lesquels ?
10. L'annexe J présente la liste des étoiles qui apparaissent les plus brillantes dans notre ciel. La plupart d'entre elles sont-elles plus chaudes ou plus froides que le soleil ? Pouvez-vous expliquer la différence entre cette réponse et la réponse à la question précédente ? (Conseil : regardez les luminosités.) Y a-t-il une tendance à établir une corrélation entre la température et la luminosité ? Y a-t-il des exceptions à cette corrélation ?
11. Quelle étoile apparaît la plus brillante dans le ciel (à part le Soleil) ? Le deuxième plus brillant ? De quelle couleur est Bételgeuse ? Utilisez l'annexe J pour trouver les réponses.
12. Supposons qu'il y a un million d'années, des hominidés aient laissé des cartes du ciel nocturne. Ces cartes représenteraient-elles exactement le ciel que nous voyons aujourd'hui ? Pourquoi ou pourquoi pas ?
13. Pourquoi seule une limite inférieure du taux de rotation des étoiles peut-elle être déterminée à partir de l'élargissement de la ligne plutôt que du taux de rotation réel ? (Reportez-vous à\(17.4.6\) la figure de la section 17.4.)
14. À votre avis, pourquoi les astronomes ont-ils suggéré trois types spectraux différents (L, T et Y) pour les naines brunes au lieu de M ? Pourquoi n'était-ce pas suffisant ?
15. Sam, un étudiant, vient d'acheter une nouvelle voiture. Adam, l'ami de Sam, étudiant diplômé en astronomie, demande à Sam de l'emmener. Dans la voiture, Adam remarque que les couleurs de la commande de température ne sont pas correctes. Pourquoi a-t-il dit ça ?

    

    Figure\(\PageIndex{1}\) (source : modification de l'œuvre de Michael Sheehan)

16. Une étoile rouge aurait-elle une magnitude plus ou moins grande dans un filtre rouge que dans un filtre bleu ?
17. Deux étoiles ont des mouvements appropriés d'une seconde d'arc par an. L'étoile A se trouve à 20 années-lumière de la Terre et l'étoile B à 10 années-lumière de la Terre. Lequel a la vitesse la plus rapide dans l'espace ?
18. Supposons qu'il y ait trois étoiles dans l'espace, chacune se déplaçant à 100 km/s. L'étoile A traverse (c'est-à-dire perpendiculairement) notre ligne de visée, l'étoile B s'éloigne directement de la Terre et l'étoile C s'éloigne de la Terre, mais à un angle de 30° par rapport à la ligne de visée. À partir de quelle étoile obserez-vous le plus grand décalage Doppler ? À partir de quelle étoile obserez-vous le plus petit décalage Doppler ?
19. Que diriez-vous à un ami qui a fait cette déclaration : « Le spectre de lumière visible du soleil montre de faibles raies d'hydrogène et de fortes raies de calcium. Le soleil doit donc contenir plus de calcium que d'hydrogène. » ?

Se débrouiller par vous-même

1. Dans l'annexe J, dans quelle mesure l'étoile la plus lumineuse est-elle plus lumineuse que la moins lumineuse ?

   Pour les exercices 2 à 7 ci-dessous, utilisez les équations reliant la magnitude et la luminosité apparente données dans la section sur l'échelle de magnitude de La luminosité des étoiles et\(17.1.1\) dans l'exemple de cette section.

2. Vérifiez que si deux étoiles ont une différence de cinq magnitudes, cela correspond à un facteur 100 dans le rapport\(\left( \frac{b_2}{b_1} \right)\), que 2,5 magnitudes correspondent à un facteur de 10 et que 0,75 magnitudes correspond à un facteur de 2.
3. Vu de la Terre, le Soleil a une magnitude apparente d'environ −26,7. Quelle est la magnitude apparente du Soleil vu de Saturne, à environ 10 UA de distance ? (N'oubliez pas qu'une UA est la distance entre la Terre et le Soleil et que la luminosité diminue au carré inverse de la distance.) Le soleil serait-il toujours l'étoile la plus brillante du ciel ?
4. Un astronome étudie une étoile faible récemment découverte lors d'études très sensibles du ciel. L'étoile a une magnitude de 16. À quel point est-elle moins brillante qu'Antarctique, une étoile dont la magnitude est à peu près égale à 1 ?
5. Le centre d'une galaxie faible mais active a une magnitude 26. À quel point est-elle moins brillante que l'étoile la plus faible que nos yeux puissent voir, d'environ une magnitude 6 ?
6. Vous avez suffisamment d'informations dans ce chapitre pour estimer la distance jusqu'à Alpha Centauri, la deuxième étoile la plus proche, dont la magnitude apparente est 0. Comme il s'agit d'une étoile G2, comme le Soleil, supposons qu'elle a la même luminosité que le Soleil et que la différence de magnitudes résulte uniquement de la différence de distance. Estimez à quelle distance se trouve Alpha Centauri. Décrivez les étapes nécessaires avec des mots, puis effectuez le calcul. (Comme nous l'apprendrons dans le chapitre Distances célestes, cette méthode, qui suppose que les étoiles ayant des types spectraux identiques émettent la même quantité d'énergie, est en fait utilisée pour estimer les distances par rapport aux étoiles.) Si vous supposez que la distance au Soleil est en UA, votre réponse sera publiée en UA.
7. Refaites le problème précédent, cette fois en utilisant l'information selon laquelle le Soleil se trouve à 150 000 000 km. Vous obtiendrez un très grand nombre de km comme réponse. Pour avoir une meilleure idée de la comparaison des distances, essayez de calculer le temps qu'il faut à la lumière à une vitesse de 299 338 km/s pour se déplacer du Soleil à la Terre et d'Alpha Centauri à la Terre. Pour Alpha Centauri, déterminez la durée du voyage en années et en secondes.
8. L'étoile A et l'étoile B ont des luminosités apparentes différentes mais des luminosités identiques. Si l'étoile A se trouve à 20 années-lumière de la Terre et l'étoile B à 40 années-lumière de la Terre, quelle étoile apparaît la plus brillante et par quel facteur ?
9. L'étoile A et l'étoile B ont des luminosités apparentes différentes mais des luminosités identiques. L'étoile A se trouve à 10 années-lumière de la Terre et apparaît 36 fois plus lumineuse que l'étoile B. À quelle distance se trouve l'étoile B ?
10. L'étoile Sirius A a une magnitude apparente de −1,5. Sirius A a un compagnon sombre, Sirius B, qui est 10 000 fois moins brillant que Sirius A. Quelle est l'ampleur apparente de Sirius B ? Est-ce que Sirius B peut être vu à l'œil nu ?
11. Notre Soleil, étoile de type G, a une température de surface de 5800 K. Nous savons donc qu'il fait plus froid qu'une étoile de type O et plus chaud qu'une étoile de type M. Compte tenu de ce que vous avez appris sur les plages de température de ces types d'étoiles, combien de fois plus chaude que notre Soleil est l'étoile de type O la plus chaude ? Combien de fois plus froide que notre Soleil est l'étoile de type M la plus fraîche ?