Le télescope Hubble : photons, effet Doppler et décalage spectral

Ce troisième exercice, noté sur 5 points et prévu pour environ 50 minutes, part d'un article sur des images de galaxies lointaines obtenues par le télescope spatial Hubble. Il relie l'énergie des photons, l'absorption du rayonnement par l'atmosphère, l'effet Doppler et la loi de Wien. Court mais exigeant, il demande surtout de bien lire les documents et d'enchaîner deux raisonnements dans la dernière partie.

Questions 1 à 3 : l'ultraviolet vu depuis l'espace

La première question est documentaire : les images de 2014 ajoutent le rayonnement ultraviolet aux images visibles et infrarouges de 2009. Or l'ultraviolet est surtout émis par les étoiles grosses, chaudes et jeunes : la nouvelle image révèle donc ces étoiles dans des galaxies dont la lumière a voyagé de 5 à 10 milliards d'années. La bonne méthode consiste à nommer ce qui change, puis à dire ce que cela apprend en reformulant l'article.

La deuxième question est un calcul direct avec la relation E = hc/λ. Les deux énergies fournies conduisent à des longueurs d'onde de 336 nm et 151 nm, comprises entre 10 et 400 nm : les photons captés appartiennent bien à l'ultraviolet. La célérité de la lumière n'est pas rappelée dans l'énoncé, il faut la connaître, et le résultat en mètres doit être converti en nanomètres avant de comparer.

Le graphique d'opacité atmosphérique montre ensuite que l'atmosphère absorbe la quasi-totalité du rayonnement entre 151 et 336 nm. Un télescope au sol ne recevrait pas ces ultraviolets : l'image de 2014 exigeait un télescope placé au-dessus de l'atmosphère.

Questions 4 et 5 : l'effet Doppler

Lorsque l'étoile s'éloigne, la longueur d'onde perçue est plus grande que la longueur d'onde émise : le spectre est décalé vers le rouge. Si elle se rapprochait, il serait décalé vers le bleu. Deux pièges sont classiques : croire que la célérité de la lumière change, alors que seules la fréquence et la longueur d'onde perçues varient, et croire que la lumière devient rouge. Le phénomène est l'effet Doppler, ou Doppler-Fizeau pour la lumière ; l'exemple attendu est la sirène d'une ambulance, plus aiguë quand elle approche, mais le radar routier ou l'échographie Doppler conviennent aussi.

Question 6 : loi de Wien et décalage spectral

C'est la partie la plus fine. La loi de Wien, fournie, donne la longueur d'onde du maximum d'émission d'une étoile à 42 400 K : 68,4 nm, dans l'ultraviolet. Mais Hubble ne reçoit pas cette longueur d'onde : avec un décalage z = 7,6, la longueur d'onde reçue vaut λ₀(1 + z), soit environ 590 nm, dans le visible. Conclure « ultraviolet » dès le premier calcul est l'erreur principale.

La dernière question en tire la conséquence : une galaxie plus ancienne est plus lointaine, s'éloigne plus vite et présente un décalage plus grand. L'ultraviolet de ses étoiles jeunes arrive alors dans le visible, voire l'infrarouge : on ne peut pas les observer en ultraviolet. C'est pourquoi les objets les plus anciens sont repérés grâce à l'infrarouge.

Conseils

Distinguez toujours longueur d'onde émise et longueur d'onde reçue, gardez trois chiffres significatifs dans les calculs d'énergie et deux pour le résultat lié à z. La loi de Wien relève aujourd'hui de l'enseignement scientifique de première, mais elle est ici fournie, et l'effet Doppler reste au programme de spécialité.