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L’étoile et ses planètes

Séquence pédagogique autour du Trident de Neptune

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L’étoile HD 69830 et ses planètes © Eso
Cette représentation artistique montre le système planétaire HD 69830 avec ses trois planètes nommées « Trident de Neptune » et des astéroïdes.

Sciences de la vie et de la Terre - Physique-chimie
Niveau : 2nde

  • Question 1 : D’après la légende, en se plaçant perpendiculairement au plan où gravitent les planètes, réaliser un schéma sans souci d’échelle. Dessiner l’étoile, les exoplanètes, la ceinture d’astéroïde et la position de l’artiste.
    • Réponse 1 :
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      © DR
  • Question 2 : Quels sont les composants visibles de ce système exoplanétaire ? Existe-t-il des similitudes avec notre Système solaire ?
    • Réponse 2 : Ce système est composé d’une étoile (HD 69830) et d’autres corps célestes en orbite autour de celle-ci, des planètes et des astéroïdes organisés en ceinture. Ce système est semblable au notre, cependant ces planètes ne possèdent pas, a priori, de satellite.
  • Question 3 : Qu’est-ce qu’une étoile ?
    • Réponse 3 : Une étoile est un corps produisant de la lumière qui rayonne dans toutes les directions de l’espace, éclairant ainsi les différents corps qui tournent autour de lui.
  • Question 4 : La planète la plus éloignée (arrière-plan de la photo) produit-elle aussi de la lumière comme HD 69830 ?
    • Réponse 4 : Une planète ne produit pas de lumière propre, mais elle réfléchit en partie celle qu’elle reçoit. Cette planète est éclairée par l’étoile HD 69830, et du point de vue de l’artiste, c’est la face éclairée que nous observons. Au contraire, la planète au premier plan nous présente sa face « nocturne » donc elle semble plus sombre.
  • Question 5 : Qu’est-ce qu’un astéroïde ?
    • Réponse 5 : Un astéroïde est un petit corps céleste (rocheux ou métallique) de forme irrégulière, formé en même temps que les planètes.
  • Question 6 : À quelle condition ces planètes présenteront-elles des saisons ?
    • Réponse 6 : Ces planètes auront des saisons si leur axe de rotation est incliné par rapport à la perpendiculaire au plan de l’écliptique. En revanche si leur axe de rotation est perpendiculaire au plan de l’écliptique, alors il existera des climats (puisqu’elles sont rondes) mais il n’y aura pas de saison.
  • Question 7 : Qu’apporte l’étude des exoplanètes à la science ?
    • Réponse 7 : L’observation de telles exoplanètes montre des systèmes à des stades différents à compter de leur formation. Ces systèmes apportent donc des informations précieuses permettant la compréhension et la reconstitution l’histoire de notre Système solaire depuis sa création.
  • Question 8 : (en utilisant les données de la légende) La vitesse de la lumière est de 3,0.105 km.s-1. Une année-lumière correspond à la distance parcourue par la lumière en une année.
    • 1- Calculez le temps mis par la lumière émise de HD 69830 pour arriver sur la planète la plus éloignée sachant que la planète la plus éloignée de l’étoile HD 69830 tourne à 95 millions de km de cette dernière ?
    • Réponse 8-1 : On sait que v ={d\over t} avec v la vitesse d’un objet, d la distance parcourue et t le temps mis pour parcourir cette distance à la vitesse v.
      Soit v la vitesse de la lumière = 3,0.105 km.s-1.
      Soit d la distance HD 69830 - planète = 95.106 km.
      Soit t le temps mis par la lumière émise de HD 69830 pour arriver sur la planète.
      v ={d\over t}, donc t ={d\over v}.
      t ={95.10^6\over 3,0.10^5}.
      t ≈ 3,2.102 secondes ou 5 min 20 s.
    • 2- HD 69830 se trouve à 40 années-lumière de notre Système solaire. Sachant que la vitesse moyenne de déplacement d’une sonde spatiale est de 20.103 km.h-1, combien de temps mettrait cet engin pour atteindre cette étoile ?
    • Réponse 8-2 : On a d = distance Terre-HD 69830 = 40 années-lumière, donc il faut la convertir en km. Puisque la vitesse de la lumière est d’environ 3,0.105 km/s, qu’il y a environ 3 600x24x365 = 31,5.106 secondes dans une année, une année-lumière correspond à une distance de 3,0.105 x 31,5.106 = 9,4.1012 km. L’étoile se situe donc à une distance d = 40 x 9,4.1012 = 3,8.1014 km.
      Or t ={d\over v}
      Donc la durée t mise par la sonde pour atteindre HD 69830 c’est-à-dire pour parcourir 3,8.1014 km à une vitesse de 20.103 km.h-1 est de :
      t ={ 3,8.10^14\over 20.10^3}.
      t = 1,9.1010 heures soit environ 7,9.104 jours, soit plus de 2 millions d’années !

ÉCLIPSES ET TRANSITS - PHASES DE LA LUNE - GRAVITATION


Arrêt sur notion
Physique-chimie
Niveau : 2nde

  • Question a : Une des planètes éclipse partiellement l’étoile. Dans le Système solaire, est-il possible d’observer depuis la Terre une telle situation (c’est-à-dire une planète qui éclipse le Soleil) ?
    • Réponse a : Non, cela n’est possible. Les seules planètes situées entre la Terre et le Soleil sont Mercure et Vénus. Celles-ci sont extrêmement éloignées de la Terre et leur taille relativement au Soleil est très petite, ce qui rend impossible une éclipse de Soleil. Lorsqu’une des planètes s’aligne parfaitement avec la Terre et le Soleil, il est possible d’observer au télescope (grâce un filtre spécial) une tâche noire se déplaçant à la surface du Soleil : c’est Vénus ou Mercure qui passe devant notre étoile et cela s’appelle un transit. Le prochain transit de Vénus est prévu le 6 juin 2012 et celui de Mercure, beaucoup plus fréquent le 9 mai 2016.
  • Question b : Deux des planètes présentent une face éclairée. À quel astre bien connu et qui n’est pas une planète, vous fait penser cette représentation des deux astres. Si on devait observer cet astre dans notre ciel avec les mêmes faces éclairées que les deux planètes représentées, quels seraient les deux noms qu’on lui donnerait ?
    • Réponse b : C’est évidemment à la Lune que nous fait penser cette représentation des deux planètes. En effet, selon les positions relatives de la Terre, du Soleil et de la Lune, celle-ci nous apparaît avec une face éclairée différemment chaque jour. On parle des phases de la Lune. Lorsque la Lune a la même apparence que la planète à gauche de la photo, on parle du premier quartier. Lorsque la face est entièrement éclairée comme sur la planète au fond de la photo, on parle de pleine Lune.
  • Question c : En supposant que l’étoile HD 69830 ait une masse égale à 90 % de celle du Soleil et que l’exoplanète la plus éloignée soit à une distance de 0,64 U.A. de son étoile, calculer la force d’attraction gravitationnelle du Soleil sur cette exoplanète.
    Indication : utiliser les indications de la légende pour la masse de l’exoplanète.
    Données :
    - masse du Soleil : 2,0.1030 kg
    - masse de Neptune : 1,0.1026 kg
    - 1 unité astronomique : 1 U.A. = 150.106 km
    - constante universelle de gravitation : G = 6,67.10-11 S.I.
    • Réponse c : La légende nous indique que les planètes ont des masses semblables à celle de Neptune mP = 1,0.1026 kg. La masse de l’étoile vaut mE = 0,9 x 2,0.1030 = 1,8.1030 kg. La distance étoile-planète vaut d = 0,64 x 150.106 = 9,6.107 km = 9,6.1010 m (en respectant le nombre de chiffres significatifs).
      La force d’attraction gravitationnelle vaut donc (seulement 2 chiffres significatifs) :
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Pour aller plus loin...

Sciences de la vie et de la Terre

En classe de 1re S, cette image peut être l’occasion d’aborder l’intérêt de l’étude des météorites quant à la connaissance de la composition globale de la Terre.
La comparaison de la chimie des chondrites à celle du manteau et de la croûte permet d’appréhender la composition du noyau par raisonnement mathématique.


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