QCM : Spectroscopie stellaire — 27 questions

Questions et réponses du QCM

1. Sous quelle forme la matière visible de l’Univers est-elle principalement organisée ?

En planètes et en satellites répartis autour des étoiles
En étoiles et en nuages de gaz et de poussières regroupés en galaxies
En comètes et en astéroïdes rassemblés dans des systèmes planétaires
En particules isolées et en rayons lumineux dispersés dans l’espace

En étoiles et en nuages de gaz et de poussières regroupés en galaxies

Explication

La matière visible se trouve surtout dans les étoiles et dans de grands nuages de gaz et de poussières réunis en galaxies. Les planètes, comètes et rayons lumineux ne constituent pas les principales formes d’organisation mentionnées.

2. Quelle caractéristique décrit correctement les galaxies ?

Elles sont principalement irrégulières et contiennent environ 109 aˋ 101010^{9}\text{ à }10^{10} étoiles
Elles sont toutes spirales et contiennent environ 106 aˋ 10810^{6}\text{ à }10^{8} étoiles
Elles peuvent être spirales, elliptiques ou irrégulières et compter environ 1013 aˋ 101410^{13}\text{ à }10^{14} étoiles
Elles sont toutes elliptiques et rassemblent environ 1015 aˋ 101610^{15}\text{ à }10^{16} étoiles

Elles peuvent être spirales, elliptiques ou irrégulières et compter environ $$10^{13}\text{ à }10^{14}$$ étoiles

Explication

Les galaxies présentent plusieurs formes, notamment spirale, elliptique et irrégulière, et elles rassemblent environ 1013 aˋ 101410^{13}\text{ à }10^{14} étoiles. Leur diversité morphologique exclut l’idée qu’elles aient toutes une seule forme.

3. Quel phénomène Newton met-il en évidence en 1666 ?

La production d’un spectre de raies par un gaz raréfié
La décomposition de la lumière blanche en un spectre continu
La propagation de la lumière sous forme d’une onde périodique
La détection des rayons infrarouges émis par un corps chaud

La décomposition de la lumière blanche en un spectre continu

Explication

En 1666, Newton décompose la lumière blanche et obtient un spectre continu. La nature ondulatoire de la lumière est établie plus tard par Thomas Young, tandis que les autres phénomènes ne correspondent pas à cette expérience.

4. Quelle conclusion Thomas Young établit-il en 1801 au sujet de la lumière ?

Elle est produite par la réfraction des couleurs
Elle se propage comme une onde
Elle forme un spectre continu dans les solides
Elle est composée de particules immobiles

Elle se propage comme une onde

Explication

En 1801, Thomas Young montre que la lumière possède un comportement ondulatoire. La formation d’un spectre continu relève de l’expérience de Newton, et la réfraction ne définit pas à elle seule la nature ondulatoire de la lumière.

5. Pourquoi la lumière violette est-elle davantage réfractée que la lumière rouge lors de la dispersion ?

Parce que l’indice de réfraction dépend de la longueur d’onde
Parce que toutes les couleurs ont un indice de réfraction identique
Parce que la lumière violette est absorbée avant de traverser le milieu
Parce que la lumière rouge possède une fréquence supérieure à celle du violet

Parce que l’indice de réfraction dépend de la longueur d’onde

Explication

La dispersion vient de la dépendance de l’indice de réfraction à la longueur d’onde, ce qui dévie davantage le violet que le rouge. Une réfraction identique pour toutes les couleurs empêcherait leur séparation.

6. De quoi dépend principalement le spectre continu émis par un corps chaud et dense ?

De sa distance à l’observateur
De sa forme géométrique
De sa température
De sa composition chimique

De sa température

Explication

Un corps chaud, solide, liquide ou gazeux sous haute pression produit un spectre continu d’origine thermique qui dépend de sa température. Sa composition chimique n’est pas le facteur principal de ce type de spectre.

7. Que se passe-t-il lorsque la température de surface d’un corps augmente ?

Le spectre continu devient plus lumineux et s’enrichit vers le violet
Le spectre continu perd les courtes longueurs d’onde et devient uniforme
Le spectre continu devient moins lumineux et s’enrichit vers le rouge
Le spectre continu se transforme en spectre de raies propre à chaque élément

Le spectre continu devient plus lumineux et s’enrichit vers le violet

Explication

Une hausse de température rend le spectre continu plus lumineux et augmente sa contribution vers le violet. Elle ne transforme pas ce spectre thermique en spectre de raies caractéristique d’éléments chimiques.

8. Pour un corps noir à la température absolue TT, quelle expression donne la longueur d’onde du maximum d’émission ?

λmax⁡=2,898×10−3T\lambda_{\max}=\frac{2{,}898\times10^{-3}}{T}
λmax⁡=2,898T+10−3\lambda_{\max}=\frac{2{,}898}{T}+10^{-3}
λmax⁡=T2,898×10−3\lambda_{\max}=\frac{T}{2{,}898\times10^{-3}}
λmax⁡=2,898×10−3T\lambda_{\max}=2{,}898\times10^{-3}T

$$\lambda_{\max}=\frac{2{,}898\times10^{-3}}{T}$$

Explication

La loi de Wien relie inversement la longueur d’onde du maximum d’émission à la température absolue par λmax⁡=2,898×10−3T\lambda_{\max}=\frac{2{,}898\times10^{-3}}{T}. Une température plus élevée correspond donc à un maximum situé à une longueur d’onde plus courte, et non à une longueur d’onde proportionnelle à TT.

9. Une étoile présente un maximum d’émission à λmax⁡=1,00×10−6 m\lambda_{\max}=1{,}00\times10^{-6}\ \text{m}. Quelle est approximativement sa température en kelvins ?

2,90×103 K2{,}90\times10^{3}\ \text{K}
1,00×106 K1{,}00\times10^{6}\ \text{K}
3,45×108 K3{,}45\times10^{8}\ \text{K}
2,90×10−3 K2{,}90\times10^{-3}\ \text{K}

$$2{,}90\times10^{3}\ \text{K}$$

Explication

On utilise T=Bλmax⁡T=\frac{B}{\lambda_{\max}}, ce qui donne T=2,898×10−31,00×10−6≈2,90×103 KT=\frac{2{,}898\times10^{-3}}{1{,}00\times10^{-6}}\approx2{,}90\times10^{3}\ \text{K}. La valeur 2,90×10−3 K2{,}90\times10^{-3}\ \text{K} résulterait d’une multiplication au lieu d’une division.

10. Quelle association entre une étoile, sa longueur d’onde maximale et sa température de surface est correcte ?

Bételgeuse : 826 nm et environ 3200 °C
Le Soleil : 103 nm et environ 28000 °C
Bételgeuse : 103 nm et environ 28000 °C
Bellatrix : 504 nm et environ 5500 °C

Bételgeuse : 826 nm et environ 3200 °C

Explication

Bételgeuse présente un maximum vers 826 nm et une température de surface d’environ 3200 °C. Les valeurs 504 nm et 5500 °C caractérisent le Soleil, tandis que 103 nm et 28000 °C caractérisent Bellatrix.

11. Comment les classes spectrales O, B, A, F, G, K et M s’ordonnent-elles lorsque la température diminue ?

M, K, G, F, A, B, O
B, O, A, G, F, K, M
O, B, A, F, G, K, M
O, A, B, F, G, M, K

O, B, A, F, G, K, M

Explication

L’ordre spectral O, B, A, F, G, K, M correspond à des températures décroissantes et à des couleurs allant du bleu vers le rouge. L’ordre inverse placerait à tort les étoiles les plus froides au début de la séquence.

12. Quelle comparaison entre les classes spectrales O et M est correcte ?

O et M sont rouges, mais M est plus chaude qu'O.
O est rouge et reste sous 3 500 K, tandis que M est bleue et dépasse 25 000 K.
O et M sont bleues, mais O est plus chaude que M.
O est bleue et dépasse 25 000 K, tandis que M est rouge et reste sous 3 500 K.

O est bleue et dépasse 25 000 K, tandis que M est rouge et reste sous 3 500 K.

Explication

La classe O regroupe les étoiles bleues dont la température dépasse 25 000 K, alors que la classe M regroupe les étoiles rouges dont la température est inférieure à 3 500 K. L’association intuitive du rouge avec une température plus élevée inverse précisément cette relation stellaire.

13. Quelle caractéristique décrit la séquence principale dans l’évolution stellaire ?

Elle regroupe les étoiles très lumineuses après l’expulsion de leurs couches externes.
Elle rassemble les étoiles classées selon une couleur allant du bleu au rouge.
Elle désigne les étoiles peu lumineuses qui se refroidissent après leur formation.
Elle regroupe les étoiles dans une phase stable, comme le Soleil au milieu de sa vie.

Elle regroupe les étoiles dans une phase stable, comme le Soleil au milieu de sa vie.

Explication

La séquence principale correspond à une phase stable de l’existence des étoiles, et le Soleil s’y trouve approximativement au milieu de sa vie. Les étoiles qui se refroidissent après l’expulsion de couches externes relèvent plutôt de la description des naines blanches.

14. Quelle description correspond à un réseau de diffraction ?

Un dispositif formé de fentes parallèles ou de rayures réfléchissantes régulièrement espacées.
Un dispositif formé d’une lentille épaisse qui absorbe les couleurs de la lumière.
Un dispositif formé d’un prisme unique qui sépare la lumière par réfraction.
Un dispositif formé de miroirs inclinés dont l’espacement varie continûment.

Un dispositif formé de fentes parallèles ou de rayures réfléchissantes régulièrement espacées.

Explication

Un réseau de diffraction comporte des fentes parallèles en transmission ou des rayures réfléchissantes régulièrement espacées en réflexion. Un prisme sépare aussi les couleurs, mais il ne constitue pas un réseau de diffraction au sens défini ici.

15. Un réseau possède n=500 000n=500\,000 traits par mètre. Quelle est la valeur de son pas aa ?

5,0×105 m5{,}0\times10^{5}\ \text{m}
5,0×10−6 m5{,}0\times10^{-6}\ \text{m}
2,0×10−6 m2{,}0\times10^{-6}\ \text{m}
2,0×10−5 m2{,}0\times10^{-5}\ \text{m}

$$2{,}0\times10^{-6}\ \text{m}$$

Explication

Le pas est l’inverse du nombre de traits par mètre : a=1n=1500 000=2,0×10−6 ma=\frac{1}{n}=\frac{1}{500\,000}=2{,}0\times10^{-6}\ \text{m}. La valeur de nn représente une densité de traits, et non un espacement.

16. Pour un réseau de pas aa, une incidence d’angle ii et une diffraction d’angle rr, quelle expression donne la différence de marche ?

d=a(sin⁡i+sin⁡r)d=a(\sin i+\sin r)
d=a(cos⁡r−cos⁡i)d=a(\cos r-\cos i)
d=a(sin⁡r−sin⁡i)d=a(\sin r-\sin i)
d=sin⁡r−sin⁡iad=\frac{\sin r-\sin i}{a}

$$d=a(\sin r-\sin i)$$

Explication

La différence de marche entre les deux rayons diffractés est d=a(sin⁡r−sin⁡i)d=a(\sin r-\sin i). L’expression avec les cosinus ou l’inversion du facteur aa ne correspond pas à la relation du réseau de diffraction.

17. Dans quelle condition les interférences produites par un réseau de diffraction sont-elles constructives ?

Lorsque a(sin⁡r−sin⁡i)=λ+ka(\sin r-\sin i)=\lambda+k avec kk entier.
Lorsque a(sin⁡r−sin⁡i)=kλa(\sin r-\sin i)=k\lambda avec kk entier.
Lorsque a(sin⁡r−sin⁡i)=λka(\sin r-\sin i)=\frac{\lambda}{k} avec kk entier.
Lorsque a(sin⁡r+sin⁡i)=kλa(\sin r+\sin i)=k\lambda avec kk entier.

Lorsque $$a(\sin r-\sin i)=k\lambda$$ avec $$k$$ entier.

Explication

Les interférences sont constructives lorsque la différence de marche vaut un multiple entier de la longueur d’onde, soit a(sin⁡r−sin⁡i)=kλa(\sin r-\sin i)=k\lambda. Une division par kk ou l’utilisation d’une somme des sinus ne traduit pas cette condition de phase constructive.

18. Que se produit-il lorsqu’un électron excité revient vers une orbitale plus proche du noyau ?

Il absorbe un photon en gagnant de l’énergie
Il émet un photon en perdant de l’énergie
Il quitte l’atome en expulsant un neutron
Il conserve son énergie sans interaction lumineuse

Il émet un photon en perdant de l’énergie

Explication

Le retour vers une orbitale plus proche s’accompagne d’une perte d’énergie émise sous forme de photon. L’absorption d’énergie correspond au passage préalable vers une orbitale plus éloignée.

19. Quelle caractéristique définit le spectre produit par un gaz chaud à basse pression ?

Un ensemble discontinu de raies monochromatiques
Un rayonnement uniforme dépourvu de longueurs d’onde privilégiées
Un dégradé continu de toutes les longueurs d’onde
Une série de bandes noires sur fond totalement sombre

Un ensemble discontinu de raies monochromatiques

Explication

Un gaz chaud à basse pression émet un spectre discontinu formé de raies, chacune associée à une longueur d’onde déterminée. Un corps chaud dense produit plutôt un spectre continu.

20. Deux gaz différents sont excités dans les mêmes conditions : quelle propriété permet de les distinguer par spectroscopie ?

Leurs spectres dépendent principalement de la température ambiante
Leurs raies ont des nombres et des positions caractéristiques
Leurs émissions présentent une répartition continue des longueurs d’onde
Leurs raies possèdent les mêmes positions mais des intensités différentes

Leurs raies ont des nombres et des positions caractéristiques

Explication

Le nombre et la position des raies dépendent de la nature du gaz, ce qui donne à chaque gaz un spectre d’émission caractéristique. Les spectres de gaz différents ne se réduisent donc pas à une même répartition de raies.

21. Quelle association décrit correctement l’origine du spectre d’une étoile ?

La chromosphère produit le continuum et la photosphère les raies d’absorption
La photosphère produit le continuum et la chromosphère les raies d’absorption
La nébuleuse produit le continuum et la chromosphère les raies d’émission
La photosphère produit les raies d’émission et la nébuleuse le continuum

La photosphère produit le continuum et la chromosphère les raies d’absorption

Explication

La photosphère émet un spectre continu, puis la chromosphère absorbe certaines radiations et crée les raies d’absorption. Inverser ces deux rôles conduit à une interprétation erronée du spectre stellaire.

22. Que peut-on déterminer grâce à l’analyse des raies d’absorption observées dans le spectre d’une étoile ?

La distance parcourue par chaque photon avant son émission
La température moyenne de toutes les étoiles voisines
La masse exacte de son noyau et la durée de sa rotation
La composition chimique de sa chromosphère et de sa nébuleuse d’origine

La composition chimique de sa chromosphère et de sa nébuleuse d’origine

Explication

Les raies d’absorption révèlent la composition chimique de la chromosphère et de la nébuleuse qui a donné naissance à l’étoile. Elles ne fournissent pas directement la masse du noyau ni la rotation de toutes les étoiles voisines.

23. Lors de l’étalonnage du spectre de Rigel, quel rôle jouent les raies d’argon ?

Elles constituent les raies stellaires dont la composition de Rigel est déduite
Elles servent de références pour relier les distances mesurées aux longueurs d’onde
Elles remplacent la droite d’étalonnage lors de l’identification des raies
Elles indiquent directement les éléments chimiques présents dans la chromosphère

Elles servent de références pour relier les distances mesurées aux longueurs d’onde

Explication

Les raies d’argon, dont une est repérée à 420 nm, servent de références pour construire la droite d’étalonnage. Les raies de Rigel sont ensuite comparées à cette relation afin d’être identifiées.

24. Dans quelle direction les raies spectrales sont-elles déplacées lors d’un décalage vers le rouge ?

Vers les grandes longueurs d’onde
Vers les petites longueurs d’onde
Vers les intensités lumineuses plus faibles
Vers les fréquences de vibration plus élevées

Vers les grandes longueurs d’onde

Explication

Le décalage vers le rouge correspond au déplacement des raies vers les grandes longueurs d’onde. Un déplacement vers les petites longueurs d’onde correspond au décalage vers le bleu.

25. Quel phénomène a fourni, avec les travaux de Hubble, une preuve initiale de l’expansion de l’Univers ?

La mesure des raies d’argon dans le spectre de Rigel
Le décalage vers le rouge des objets astronomiques lointains
La présence de raies d’absorption dans les atmosphères stellaires
La découverte de sept planètes autour de TRAPPIST-1

Le décalage vers le rouge des objets astronomiques lointains

Explication

Le décalage vers le rouge des objets lointains a constitué une preuve initiale de l’expansion de l’Univers et du modèle du Big Bang à la suite des travaux de Hubble. Les autres phénomènes concernent l’analyse des étoiles ou la découverte d’exoplanètes.

26. Comment la spectroscopie permet-elle de détecter indirectement une exoplanète ?

En mesurant des oscillations périodiques des raies dues au mouvement orbital de l’étoile
En comparant la luminosité de l’étoile avec celle d’une nébuleuse voisine
En observant une baisse constante de toutes les longueurs d’onde émises par l’étoile
En identifiant une raie fixe correspondant directement à la surface de la planète

En mesurant des oscillations périodiques des raies dues au mouvement orbital de l’étoile

Explication

Les oscillations périodiques des raies traduisent, par effet Doppler, le mouvement de l’étoile autour du centre de masse du système. Elles ne correspondent pas à une variation aléatoire de son spectre ni à une raie propre directement observée sur la planète.

27. Quelle annonce la NASA a-t-elle faite le 22 février 2017 au sujet de TRAPPIST-1 ?

Le système possède sept étoiles, dont trois entourées de planètes
Le système possède une planète tellurique située à 40 années-lumière
Le système possède sept planètes telluriques, dont trois en zone habitable
Le système possède quatre planètes gazeuses, dont deux en zone habitable

Le système possède sept planètes telluriques, dont trois en zone habitable

Explication

Le 22 février 2017, la NASA a annoncé que TRAPPIST-1 comptait sept planètes telluriques, dont trois situées dans la zone habitable. La distance de 40 années-lumière et la masse sept fois supérieure à celle de la Terre concernent LHS 1140b.

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Sous quelle forme se présente principalement la matière visible de l’Univers ?

Sous forme d’étoiles et de grands nuages de gaz et de poussières regroupés en galaxies.

Quelles formes peuvent prendre les galaxies ?

Elles peuvent être spirales, elliptiques ou irrégulières.

Combien d’étoiles rassemble environ une galaxie ?

Environ 101310^{13} à 101410^{14} étoiles.

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