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Centrale Physique Chimie 1 MPI 2024Sujet, corrigé et rapport du jury

À propos du télescope spatial James Webb

Pas encore noté
Faisable en Sup

Faisable en sup ?

Faisable en partie en MP2I : 18 questions sur 38, partie I en entier. Autres questions faisables en MP2I

Autres premières années : MPSI 19 · PCSI 19 · PTSI 17 questions.

Détail par partie

Téléchargements

Présentation du sujet

Difficulté moyenne
Le télescope spatial James Webb : décalage vers le rouge et loi de Hubble, optique des miroirs et rayonnement thermique, point de Lagrange L2
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Le sujet porte sur le télescope spatial James Webb et évalue les compétences en mécanique, optique géométrique et thermodynamique du rayonnement. Il s'ouvre par l'observation de l'Univers en infrarouge (décalage vers le rouge, loi de Hubble), se poursuit par l'étude optique et thermique des miroirs du télescope (loi de Planck, refroidissement), et se termine par l'étude mécanique du point de Lagrange L2. De nombreuses questions portent sur le traitement de données expérimentales et le calcul d'incertitudes.

  1. 1Partie I : voir l'Univers en infrarougeDécalage vers le rouge et loi de Hubble.
  2. 2Partie II : les miroirsOptique du télescope puis rayonnement thermique des instruments (loi de Planck) et sa réduction par refroidissement.
  3. 3Partie III : point de Lagrange L2Étude mécanique de la position d'équilibre du télescope au point de Lagrange L2.

Difficulté moyenne. Le sujet était de longueur raisonnable et bien réussi en mécanique et en thermodynamique du rayonnement, mais le rapport signale que le calcul des incertitudes de mesure n'est pas maîtrisé par la majorité des candidats.

L'épreuve en chiffres

Moyenne 9,5 / 20 · écart-type 3,99 · 709 présents · où vous situez-vous ?
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Moyenne
9,5/ 20
Écart-type
3,99
Présents
709
Coefficient
10
Durée
4 h
1er quartile
6,3
Médiane
9,1
3e quartile
12,1
moyenne 9,505101520
Deux tiers des copies environ (moyenne ± écart-type)

Votre note sur 20 à ce sujet, en conditions de concours.

Source : document officiel du concours, épreuve du 3 mai 2024. Notes publiées par le concours (après harmonisation le cas échéant). Courbe : estimation par une loi normale.

Ce qu'a observé le jury

6 erreurs relevées
Composition des vitesses appliquée à la lumière · Développement limité à l'ordre 0 insuffisant · Incertitude-type confondue avec l'écart-type
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Le sujet, de longueur raisonnable et progressif, a pu être traité en intégralité par de nombreux candidats. Les compétences en thermodynamique du rayonnement et en mécanique sont pour la plupart des copies bien mieux maîtrisées que le calcul des incertitudes de mesure. Les applications numériques ont été généralement mal traitées, aboutissant parfois à des ordres de grandeur aberrants.

Les erreurs les plus sanctionnées

  1. 1
    Composition des vitesses appliquée à la lumièreQ1

    La célérité de la lumière dans le vide n'obéit pas aux lois de composition des vitesses.

    « la célérité de la lumière dans le vide n'obéit pas aux lois de composition »
  2. 2
    Développement limité à l'ordre 0 insuffisantQ8

    Se contenter d'un développement limité à l'ordre zéro pour conclure que l'expression est correcte ("0=0") ne justifie pas les conditions de validité demandées.

    « Trop de copies se contentent de réaliser un développement limité à l'ordre zéro »
  3. 3
    Incertitude-type confondue avec l'écart-typeQ9

    Les évaluations de type A des incertitudes ne sont pas acquises par la majorité des candidats, qui assimilent l'incertitude-type à l'écart-type.

    « beaucoup se contentant d'assimiler l'incertitude-type à l'écart-type »
  4. 4
    Âge du système solaire confondu avec l'âge de l'UniversQ11

    Il fallait bien lire la définition de l'énoncé avant de répondre, l'âge donné étant celui du système solaire.

    « L'âge donné était celui du système solaire et il a été souvent confondu avec celui de l'univers. »
  5. 5
    Question mal interprétée sur le refroidissementQ26

    La question a parfois été comprise comme portant sur le phénomène qui permet de diminuer la température, alors que ce n'était pas l'attendu.

    « La question a parfois été comprise comme « Quel phénomène permet de diminuer la température ? ». »
  6. 6
    Stabilité du mouvement mal compriseQ34

    Il ne fallait pas montrer que le mouvement était plan : toute perturbation qui en sort l'objet suffit, par définition, à contredire la planéité du mouvement.

    « soit sort l'objet du plan du mouvement, le mouvement n'est pas plan par définition »

Ce qui a été bien réussi

  • Le jury se félicite du niveau moyen des copies en mécanique.
  • La majoration du coefficient de performance et les questions de thermodynamique du rayonnement sont globalement mieux maîtrisées que le calcul d'incertitudes.
  • La présentation attendue pour des copies de concours est dans l'ensemble jugée satisfaisante.

Conseils du jury

  • Vérifier que la composition des vitesses ne s'applique pas à la vitesse de la lumière dans le vide.
  • Préciser les conditions de validité d'une expression simplifiée, au-delà d'un simple développement limité à l'ordre zéro.
  • Ne pas confondre incertitude-type et écart-type ; écrire un résultat sous forme normalisée.
  • Toujours donner un ordre de grandeur cohérent pour une application numérique.
  • Bien lire les définitions de l'énoncé avant de répondre.

Synthèse rédigée par WikiPrépa à partir du rapport officiel du jury (à télécharger en PDF). Les citations sont extraites du rapport.

Corrigé détaillé

38 questions
Indice, stratégie puis corrigé complet pour chaque question.
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38 questions corrigées une à une : un indice, puis la stratégie, puis le corrigé complet avec le résultat encadré. Chaque question est vérifiée avant publication.

  1. Q1Déterminer l'expression de l'instant auquel l'observateur reçoit ce pic.
  2. Q2L'émetteur émet ensuite un nouveau pic au bout d'une période. Donner de même l'expression de l'instant de…
  3. Q3Montrer que.
  4. Q4En déduire la relation entre la longueur d'onde émise par l'émetteur et celle mesurée par l'observateur.
  5. Q5Donner la dimension de.
  6. Q6Justifier le terme de « décalage vers le rouge ». Expliquer l'intérêt pour JWST d'avoir un maximum de…
  7. Q7Déterminer l'expression de en fonction de.
  8. Q8Montrer que cette expression permet de retrouver celle obtenue précédemment dans le cas où. On indiquera les…
Voir les 30 autres questions
  1. Q9En exploitant les résultats fournis dans le script ci-dessus, écrire sous forme normalisée la valeur de…
  2. Q10Justifier que, dans le cadre d'un modèle d'univers en expansion continue depuis son origine localisée en un…
  3. Q11Évaluer l'âge de l'univers sur la base des résultats précédents et commenter la valeur obtenue sachant que…
  4. Q12En argumentant la réponse, expliquer lequel des deux traitements proposés (calcul de la valeur moyenne de la…
  5. Q13Exprimer la loi de Hubble (equation I.1) en faisant intervenir le décalage vers le rouge.
  6. Q14À partir du spectre fourni (voir figure 5), estimer la distance en années-lumière à laquelle se trouve la…
  7. Q15Rappeler les conditions de l'approximation de Gauss qui permettent de considérer un stigmatisme approché du…
  8. Q16Tracer le schéma optique du télescope sans souci d'échelle et y représenter le trajet d'un rayon lumineux…
  9. Q17En s'appuyant sur un schéma soigné, proposer une estimation du champ de vision du capteur. Comparer cette…
  10. Q18Préciser l'unité dans le système international de la densité spectrale d'énergie qui intervient dans…
  11. Q19Rappeler l'expression (relation de Planck-Einstein) du quantum d'énergie porté par un photon de fréquence…
  12. Q20Calculer les valeurs des fréquences et.
  13. Q21Montrer que l'énergie du rayonnement électromagnétique prisonnier de la cavité et de fréquences comprises…
  14. Q22Établir que le nombre de photons contenus dans la cavité, et dont la fréquence associée est comprise entre…
  15. Q23Déduire des équations II.2 et II.3 une expression de l'énergie moyenne individuelle des photons contenus…
  16. Q24Au regard des résultats établis aux questions 21 à 23, justifier qualitativement que la puissance émise par…
  17. Q25En déduire une estimation de la valeur du facteur de réduction de la puissance émise dans l'infrarouge par…
  18. Q26Le refroidissement a pour effet de réduire à la fois le nombre de photons émis et leur énergie moyenne…
  19. Q27Rappeler le nom usuellement attribué au référentiel.
  20. Q28Rappeler la définition d'un référentiel galiléen et justifier que le référentiel est non galiléen.
  21. Q29On considère que le télescope JWST, positionné au point, n'est soumis qu'à l'action gravitationnelle du…
  22. Q30Proposer une procédure préalable à mettre en œuvre pour déterminer un jeu de valeurs adaptées des bornes…
  23. Q31La résolution numérique conduit à la valeur. En déduire la valeur de la distance qui sépare la Terre du point.
  24. Q32Rappeler la loi fondamentale de la physique qui permet d'aboutir au système différentiel ci-dessus, ainsi…
  25. Q33Vérifier que les termes et proviennent des projections respectives sur les axes et de la force d'inertie de…
  26. Q34Expliquer pourquoi on peut se limiter aux mouvements dans le plan si l'on souhaite étudier la stabilité de…
  27. Q35On cherche des solutions, en utilisant la notation complexe, sous la forme: et, où. Déterminer le système…
  28. Q36En déduire les valeurs acceptables de. Conclure quant à la stabilité de l'équilibre au point de Lagrange…
  29. Q37Estimer la valeur de la durée à partir de laquelle il convient de repositionner le télescope au voisinage du…
  30. Q38Donner au moins un argument qui justifie que le télescope JWST ait été placé au point.

Description

Le sujet porte sur le télescope spatial James Webb et évalue les compétences en mécanique, optique géométrique et thermodynamique du rayonnement. Il s'ouvre par l'observation de l'Univers en infrarouge (décalage vers le rouge, loi de Hubble), se poursuit par l'étude optique et thermique des miroirs du télescope (loi de Planck, refroidissement), et se termine par l'étude mécanique du point de Lagrange L2. De nombreuses questions portent sur le traitement de données expérimentales et le calcul d'incertitudes.

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Lecture du sujet en ligne

L'énoncé complet, avec les formules et les figures, sans ouvrir le PDF.
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À propos du télescope spatial James Webb

Toutes les réponses doivent être dûment justifiées. Les résultats doivent être encadrés. La qualité de la rédaction, a précision des raisonnements et le soin apporté à la copie sont des éléments d'évaluation de la composition du candidat.
Un ensemble de données, nécessaires à la résolution du problème, sont regroupées en fin d'énoncé.

I Voir l'Univers en infrarouge

Le télescope James Webb (JWST), lancé le 25 décembre 2021 depuis le centre spatial de Kourou en Guyane, a permis d'obtenir des images du cosmos avec une précision et une netteté sans précédent y compris de galaxies extrêmement éloignées de la Terre comme sur la photo fournie du premier champ profond de Webb. Cela a notamment permis de se faire une idée de ce à quoi ressemblait l'Univers il y a plusieurs milliards d'années. Ci-dessous une comparaison de deux images de la nébuleuse d'Orion située à 1350 années-lumière de la Terre, l'une avec le télescope Hubble (à gauche) et l'autre avec JWST (à droite). Certains astres comme le Soleil émettent principalement dans le visible c'est pourquoi la génération précédente de télescopes spatiaux (placés au-delà de l'atmosphère terrestre) avaient été conçue de sorte à y présenter le maximum de sensibilité. C'est le cas par exemple du télescope Hubble. Pour JWST en revanche, ce maximum se trouve dans l'infrarouge.
Figure 1 Premier champ profond du Webb. Source https ://webbtelescope.org/.

I.A - Décalage vers le rouge

L'effet Doppler est un phénomène physique qui se produit lorsque l'émetteur d'une onde est en mouvement à la vitesse v_(source)^(→−) par rapport à un observateur jouant le rôle de récepteur. La fréquence de l'onde mesurée par l'observateur f_(mes) diffère alors de celle de l'onde produite par l'émetteur notée f_0. Ce décalage dépend de la vitesse v_(source)^(→−). On considère un émetteur produisant une onde électromagnétique qui se propage dans le vide jusqu'à atteindre l'observateur. Initialement émetteur et observateur sont séparés de la distance d et l'émetteur est animé d'un mouvement de translation rectiligne uniforme par rapport à l'observateur, s'éloignant de lui à la vitesse v = ‖v_(source)^(→−)‖. A l'instant t = 0, l'onde émise présente un pic.
Q 1. Déterminer l'expression de l'instant t_1 auquel l'observateur reçoit ce pic.
Figure 2 Comparaison entre télescope Hubble (à gauche) et JWST (à droite). Crédits : NASA/ESA/CSA/PDRs4All ERS Team/Salomé Fuenmayor/Olivier Berné.
Q 2. L'émetteur émet ensuite un nouveau pic au bout d'une période T_0. Donner de même l'expression de l'instant t_2 de réception de ce nouveau pic.
Q 3. Montrer que f_(mes) = (f_0)/(1 + v/c).
Q 4. En déduire la relation entre la longueur d'onde λ_0 émise par l'émetteur et celle mesurée par l'observateur λ_(mes).
En cosmologie, on définit la grandeur z = (λ_(mes) − λ_0)/(λ_0), appelée décalage vers le rouge (redshift en anglais).
Q 5. Donner la dimension de z.
Q 6. Justifier le terme de «décalage vers le rouge». Expliquer l'intérêt pour JWST d'avoir un maximum de sensibilité dans l'infrarouge et non pas dans le visible afin d'observer des astres très éloignés dont le spectre de la lumière émise présente pourtant un maximum d'amplitude dans le visible.
Q 7. Déterminer l'expression de z en fonction de v.
Cette relation peut être généralisée en prenant en compte les effets relativistes. On peut montrer que, dans ce cas, on obtient z + 1 = √((1 + v/c)/(1 − v/c)).
Q 8. Montrer que cette expression permet de retrouver celle obtenue précédemment dans le cas où v≪c. On indiquera les valeurs de z pour lesquelles l'expression simplifiée est valide.

I.B - Loi de Hubble

En 1929, Edwin Hubble publie un article ^1 dans lequel il présente un ensemble de mesures qui tendent à prouver l'expansion continue de l'Univers depuis sa création. Dans cet article, Hubble introduit une relation linéaire entre la vitesse d'éloignement par rapport à la Terre, ou vitesse de récession, due à l'expansion de l'univers et la distance à la Terre d'un certain nombre de galaxies. Cette relation, connue sous le nom de loi de Hubbe-Lemaître, s'exprime comme suit :
v = Hd,
où H est la constante de Hubble. Les données publiées par Hubble en 1929 sont traitées dans un notebook Jupyter afin d'en extraire une valeur de la constante H. Les distances sont exprimées en mégaparsecs (Mpc) et les vitesses de récession en km ⋅ s^(− 1).
In [1] :
import pandas as pd
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
In [2] :
data = "hubble1929.csv"
# import des données
df = pd.read_csv(data)
In [3] :
data = df.head() # affichage des premières lignes du tableau de données
Out [3] :
galaxie distance vitesse
0 S.mag 0.032 170.0
1 L.mag 0.034 290.0
2 NGC.682 0.214 -130.0
3 NGC.598 0.263 -70.0
4 NGC.221 0.274 -185.0
In [4] :
df['H']=df['vitesse']/df['distance'] #calcul de la valeur de H
\#pour chaque galaxie
In [5] :
df.head() # affichage des premières lignes du tableau de données
Out [5] :
galaxie distance vitesse H
0 S.mag 0.032 170.0 5312.500000
1 L.mag 0.034 290.0 8529.411765
2 NGC. 682 0.214 -130.0 -607.476636
3 NGC. 598 0.263 -70.0 -266.159696
4 NGC. 221 0.274 -185.0 -672.727273
In [6] :
df.describe() #génération de statistiques descriptives (effectif [count],
    # moyenne [mean], écart-type [std] et autres indicateurs
    # de dispersion) pour chacune des valeurs en colonnes
Out [6] :
distance vitesse H
count 24.000000 24.000000 24.000000
mean 0.911375 373.125000 812.043714
std 0.645496 371.254666 1988.805909
min 0.032000 -220.000000 -800.000000
25% 0.406250 165.000000 229.166667
50% 0.900000 295.000000 417.045455
75% 1.175000 537.500000 557.843137
max 2.000000 1090.000000 8529.411765
On construit ensuite un graphe où chaque galaxie est représentée par un point dont l'abscisse est la valeur de la distance d et l'ordonnée la valeur de H = v/d (voir figure 3 ci-dessous).
Figure 3 Représentation graphique des valeurs de la constante H obtenues pour chacune des galaxies en fonction de la distance d.
Q 9. En exploitant les résultats fournis dans le script ci-dessus, écrire sous forme normalisée la valeur de H extraite des données, accompagnée de son incertitude-type.
Q 10. Justifier que, dans le cadre d'un modèle d'univers en expansion continue depuis son origine localisée en un point de l'espace, l'inverse de la constante de Hubble peut être interprété comme étant l'âge de l'univers.
Q 11. Évaluer l'âge de l'univers sur la base des résultats précédents et commenter la valeur obtenue sachant que l'âge du système solaire est estimé à 4,5 milliards d'années.
Un autre traitement possible des données de Hubble consiste à effectuer une régression linéaire de la vitesse v par la distance d. L'implantation de cette méthode avec Python conduit au résultat suivant :
In [6] : pente, ordonnee = np.polyfit(df['distance'],df['vitesse'],1) # régression
        # linéraire de v par d
    print ("Pente : % 0.2f ; ordonnée à l'origine: % 0.2f"%(pente,ordonnee))
Out [7] : Pente : 454.16 ; ordonnée à l'origine: -40.78
Le graphe de la figure 4 permet de visualiser les données utilisées par Hubble (sous forme de points) et la droite de régression linéaire.
Q 12. En argumentant la réponse, expliquer lequel des deux traitements proposés (calcul de la valeur moyenne de la distribution des valeurs de H ou régression linéaire de la vitesse par la distance) paraît le plus pertinent du point de vue de la démarche scientifique.
Selon les résultats de la mission Planck, publiés en 2018^2, la valeur de la constante de Hubble peut être estimée à (67 ± 3)km ⋅ Mpc^(− 1) ⋅ s^(− 1), valeur qu'on retiendra pour les questions qui suivent.
Q 13. Exprimer la loi de Hubble (equation I.1) en faisant intervenir le décalage vers le rouge z.
Q 14. À partir du spectre fourni (voir figure 5), estimer la distance en années-lumière à laquelle se trouve la galaxie ayant émis ce rayonnement.
Figure 4 Régression linéaire de la vitesse de récession v par la distance d.
Elements λ_0(en10^(− 10)m) λ_(mes)(en10^(− 10)m)
H_γ 4340,47 4601,00
[OIII] 4363,21 4630,88
HeII 4685,68 4973,40
H_β 4861,33 5154,82
[OIII] 4958,92 5268,99
[OIII] 5006,85 5317,20
[OI] 6300,32 6691,10
H_α 6562,82 6970,19
Figure 5 Spectre d'émission d'une galaxie de Seyfert. Source : https ://www.shelyak.com/ .

II Les miroirs

II.A - Optique du télescope

Le télescope James Webb possède deux miroirs. Le premier, appelé miroir primaire, est formé d'un assemblage de 18 cellules hexagonales en nid d'abeille. Son diamètre mesure D_1 = 6, 5 m. Il réfléchit la lumière collectée en direction d'un second miroir, de plus petites dimensions (diamètre D_2 = 74 cm, placé face à lui, appelé miroir secondaire. Ce dernier réfléchit la lumière en direction du centre du miroir primaire au niveau duquel a été placé un capteur dont le champ de vision est de 2,2 minutes d'arc. Cette architecture est illustrée sur la figure 6 .
Dans un souci de simplification, tous les miroirs seront modélisés par des miroirs plans et on prendra pour le capteur un rayon R_3 = 3 cm. Le télescope est muni d'un bouclier qui a pour fonction de protéger les instruments astronomiques de l'éclairage direct du Soleil, de la Terre et de la Lune. Les instruments sont ainsi maintenus à une température de 39 K , essentielle à leur bon fonctionnement.
Figure 6 Miroirs du télescope JWST.
La figure 6 présente deux vues, de face et de haut, du télescope.
Figure 7 Gauche : vue de face de JWST. Droite : vue de haut de JWST.
Q 15. Rappeler les conditions de l'approximation de Gauss qui permettent de considérer un stigmatisme approché du système optique.
Q 16. Tracer le schéma optique du télescope sans souci d'échelle et y représenter le trajet d'un rayon lumineux venant de l'infini, intercepté par le miroir primaire avec une incidence qui lui permet d'atteindre le capteur après réflexion sur le miroir primaire et le miroir secondaire.
Q 17. En s'appuyant sur un schéma soigné, proposer une estimation du champ de vision du capteur. Comparer cette estimations à la valeur donnée dans l'énoncé.

II.B - Le rayonnement thermique des instruments

Le télescope JWST est conçu pour observer le rayonnement infrarouge d'objets célestes distants et peu lumineux. La bande de sensibilité spectrale des instruments du télescope est comprise entre 0, 6μ m et 28μ m. Afin que les signaux reçus par le télescope ne soient pas perturbés par le rayonnement infrarouge émis par le télescope luimême, il est nécessaire de maintenir les instruments du télescope à une valeur proche de 39 K . Un des détecteurs doit même être maintenu à une température encore inférieure, voisine de 7 K .
Dans cette partie, on propose d'estimer de quel facteur est réduite la puissance rayonnée dans le domaine infrarouge par un corps maintenu à une température de 39 K par comparaison à un corps de température bien plus élevée. Le modèle retenu est celui du rayonnement du corps noir.

II.B.1) Le rayonnement d'équilibre thermique et la loi de Planck

On considère un cavité vide, de volume V, où est réalisé un équilibre thermodynamique entre les parois matérielles de la cavité et un rayonnement électromagnétique prisonnier de la cavité. L'ensemble est maintenu à la température T. Le rayonnement est décrit par un ensemble de N photons.
L'énergie électromagnétique dE du rayonnement correspondant à la bande de fréquence [ν, ν + dν] est donnée par la loi de Planck:
dE = u(ν)V dν où u(ν) = (8πhν^3)/(c^3)1/(exp((hν)/(k_B T)) − 1).
Les constantes c, h et k_B sont respectivement la célérité de la lumière dans le vide et les constantes de Planck et de Boltzmann.
Q 18. Préciser l'unité dans le système international de la densité spectrale d'énergie u(ν) qui intervient dans l'équation II.1.
Q 19. Rappeler l'expression (relation de Planck-Einstein) du quantum d'énergie ε porté par un photon de fréquence associée ν.
Dans les questions qui suivent, on s'intéresse au rayonnement électromagnétique, prisonnier de la cavité, en se limitant à l'intervalle de fréquence [ ν_1, ν_2 ] avec ν_2 ⩾ ν_1 qui correspond à la bande de sensibilité spectrale des instruments du télescope.
Q 20. Calculer les valeurs des fréquences ν_1 et ν_2.
Q 21. Montrer que l'énergie E_(12) du rayonnement électromagnétique prisonnier de la cavité et de fréquences comprises entre ν_1 et ν_2, s'exprime comme suit, moyennant un changement de variable :
E_(12) = V(8πk_B^4 T^4)/(h^3 c^3)I_([ξ_1, ξ_2])
où I_([ξ_1, ξ_2]) = ∫_(ξ_1)^(ξ_2)(ξ^3 dξ)/(exp(ξ) − 1).
Q 22. Établir que le nombre N_(12) de photons contenus dans la cavité, et dont la fréquence associée est comprise entre ν_1 et ν_2, s'exprime comme suit:
N_(12) = V(8πk_B^3 T^3)/(h^3 c^3)J_([ξ_1, ξ_2]),
où J_([ξ_1, ξ_2]) = ∫_(ξ_1)^(ξ_2)(ξ^2 dξ)/(exp(ξ) − 1).
Q 23. Déduire des équations II. 2 et II. 3 une expression de l'énergie moyenne individuelle des photons contenus dans la cavité et dont les fréquences associées sont comprises entre ν_1 et ν_2. Préciser comment cette énergie moyenne dépend de la température.

II.B.2) Réduction du rayonnement par refroidissement

Une ouverture, de dimensions assez faibles pour ne pas perturber l'équilibre thermodynamique interne, est pratiquée dans les parois de la cavité et permet aux photons de s'échapper. Une telle ouverture constitue un
corps noir et le rayonnement émis est appelé rayonnement du corps noir. Par souci de simplicité, on assimile chacun des éléments du télescope à un corps noir de température T.
Q 24. Au regard des résultats établis aux questions 21 à 23 , justifier qualitativement que la puissance émise par chacun des éléments du télescope, dans l'intervalle de fréquences considéré, est proportionnelle à sa température à la puissance 4 .
Q 25. En déduire une estimation de la valeur du facteur de réduction de la puissance émise dans l'infrarouge par les différents éléments du télescope lorsque la température de celui-ci passe de la valeur 333 K à la valeur 39 K .
Q 26. Le refroidissement a pour effet de réduire à la fois le nombre de photons émis et leur énergie moyenne. Identifier, parmi ces deux effets, celui qui a l'influence la plus importante sur la réduction de la puissance émise.

III Point de Lagrange L_2

Le télescope JWST a été placé en un point de l'espace tel qu'un objet massif y demeure immobile par rapport à la Terre et au Soleil. Ce point particulier, désigné par L_2, est un «point de Lagrange». Il est situé au-delà de la Terre sur l'axe Soleil-Terre (voir figure 8).
Figure 8 Position du point de Lagrange L_2. Le point M est un point voisin de L_2. La figure n'est pas à l'échelle.
Le référentiel R_h a pour origine le centre du Soleil S; on lui associe un repère d'espace orthonormé ( S; XYz ). Les axes (SX), (SY) et (Sz) pointent vers trois étoiles très éloignées. On définit le référentiel R comme étant le référentiel, admettant le centre du Soleil S comme origine, dans lequel le centre du Soleil S et le centre de la Terre T sont fixes, et de repère orthonormé associé ( S; xyz ). Le point de Lagrange L_2 est à la distance r_(L_2) de la Terre. On note d_(TS) la distance entre les centres du Soleil et de la Terre (voir figure 8). Le référentiel R est animé d'un mouvement de rotation uniforme autour de l'axe ( Sz ) à la vitesse angulaire constante ω par rapport au référentiel R_h.
Le référentiel R_h est une bonne réalisation de référentiel galiléen. La masse du Soleil est notée M_S, celle de la Terre, M_T et celle du télescope JWST, m.
On donne : ω = √((gM_S)/(d_(TS)^3)).
Q 27. Rappeler le nom usuellement attribué au référentiel R_h.
Q 28. Rappeler la définition d'un référentiel galiléen et justifier que le référentiel R est non galiléen.
Q 29. On considère que le télescope JWST, positionné au point L_2, n'est soumis qu'à l'action gravitationnelle du Soleil et de la Terre. En adoptant le point de vue du référentiel R, écrire la relation vectorielle qui traduit l'immobilité en L_2 du télescope JWST dans ce référentiel.
Cette relation vectorielle conduit à une équation de la forme F(R, α) = 0 où F est une fonction de la variable adimensionnée R = (r_(L_2))/(d_(TS)) et paramétrée par α = (M_T)/(M_S). Une fois la fonction F et la valeur de α définies, la fonction brentq de la bibliothèque scipy.optimize de Python permet de résoudre numériquement l'équation F(R, α) = 0 :
# Résolution numérique de l'équation F(R,alpha) = 0 dans l'intervalle [Rmin,Rmax]
solution = brentq(lambda R: F(R,alpha), Rmin, Rmax)
Q 30. Proposer une procédure préalable à mettre en œuvre pour déterminer un jeu de valeurs adaptées des bornes Rmin et Rmax de l'intervalle dans lequel rechercher la solution. La réponse à cette question ne nécessite pas l'écriture d'un code Python, ni de connaître l'équation à résoudre.
Q 31. La résolution numérique conduit à la valeur R = 0, 009. En déduire la valeur de la distance qui sépare la Terre du point L_2.
Pour étudier la stabilité de l'équilibre en L_2, on envisage un «petit» déplacement du télescope JWST qui, à un instant t, se situe alors en un point M, voisin de L_2 (voir figure 8). Les coordonnées du point M sont définies ainsi à tout instant t :
SM^(→−) = (d_(TS) + r_(L_2) + ε_x(t))e⃗_x + ε_y(t)e⃗_y + ε_z(t)e⃗_z,
où |ε_x(t)|, |ε_y(t)| et |ε_z(t)| sont négligeables devant la distance r_(L_2). On conduit l'étude du mouvement du télescope JWST au voisinage du point L_2 dans le référentiel R. On admet que les coordonnées ε_x(t), ε_y(t) et ε_z(t) vérifient le système différentiel suivant:
ε¨_x(t) = 2ωε˙_y(t) + 9ω^2 ε_x(t); ε¨_y(t) = − 2ωε˙_x(t) − 3ω^2 ε_y(t); ε¨_z(t) = − 4ω^2 ε_z(t)
Q 32. Rappeler la loi fondamentale de la physique qui permet d'aboutir au système différentiel ci-dessus, ainsi que les précautions à prendre dans son écriture.
Q 33. Vérifier que les termes 2ωε˙_y(t) et − 2ωε˙_x(t) proviennent des projections respectives sur les axes ( Sx ) et ( Sy ) de la force d'inertie de Coriolis.
Q 34. Expliquer pourquoi on peut se limiter aux mouvements dans le plan ( Sxy ) si l'on souhaite étudier la stabilité de l'équilibre au point de Lagrange L_2.
Q 35. On cherche des solutions, en utilisant la notation complexe, sous la forme : ε_–_x(t) = A_–_x e^(pt) et ε_–_y(t) = A_–_y e^(pt), où p ∈ ℂ. Déterminer le système des deux équations vérifiées par les amplitudes complexes A_–_x et A_–_y.
Q 36. En déduire les valeurs acceptables de p. Conclure quant à la stabilité de l'équilibre au point de Lagrange L_2 dans le référentiel R.
Q 37. Estimer la valeur de la durée à partir de laquelle il convient de repositionner le télescope au voisinage du point L_2.
Q 38. Donner au moins un argument qui justifie que le télescope JWST ait été placé au point L_2.

Données

Constante de gravitation universelle G 6, 67 × 10^(− 11) N ⋅ m^2 ⋅ kg^(− 2)
Célérité la lumière dans le vide c 299792458 m ⋅ s^(− 1)
Constante de Planck h 6, 62607015 × 10^(− 34) J ⋅ s
Constante de Boltzmann k_B 1, 380649 × 10^(− 23) J ⋅ K^(− 1)
Année-lumière 1al 9, 46 × 10^(15) m
Parsec 1 pc 3, 26al = 3, 08 × 10^(16) m
Distance Terre-Soleil d_(TS) 1, 50 × 10^8 km
Masse du Soleil M_S 2, 010 × 10^(30) kg
Masse de la Terre M_T 5, 97 × 10^(24) kg
Minute d'arc 1^′ 1/60^∘

  1. ^1 Hubble, E.P. A Relation between Distance and Radial Velocity among Extra-Galactic Nebulae. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1929, 15, 168-173.
  2. ^2 A. Kozmanyan et al. Deriving the Hubble constant using Planck and XMM-Newton observations of galaxy clusters. Astronomy ℰ^2 Astrophysics 2019, 621 A34.

Questions fréquentes

4 questions
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Sur quoi porte physique-chimie 1 Centrale MPI 2024 ?

Sur le télescope spatial James Webb : décalage vers le rouge et loi de Hubble, optique des miroirs et rayonnement thermique, et étude du point de Lagrange L2.

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La confusion entre incertitude-type et écart-type, des développements limités mal justifiés, et des applications numériques donnant des ordres de grandeur aberrants.

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