Activité didactique projétée par Ilaria Viale et Marco Dall’Amico pendant le cours de doctorat “Designing innovative public engagement activities” dispensé à l’Université de Padoue en 2022.
Box astrophysique:
Le but de ce laboratoire est de faire voir aux enfants comment les astronomes observant les trous noirs. Dans cette activité nous montrerons l’effet de la gravité exercé par différents corps dans une petite région de l’espace-temps, reproduit par une serviette noire tendue sur un hula hop. Nous simulerons la déformation de l’espacetemps à travers la déformation de la toile, due aux différentes masses des corps utilisés. Nous commencerons par les corps plus légers pour montrer des effets gravitationnels plus petits, et augmenterons progressivement les masses jusqu’à montrer la gravité extreme exercée par un trou noir (masse plus lourde). Enfin, grâce à l’aide des tempres, nous montrerons aux enfants comment les trous noirs capturent la matière environnante, en reproduisant la célèbre image du trou noir M87*. Le tout est presenté comme un’activité interactive, afin quel es enfants expérimentent ces conceptes en personne, s’immisçant dans le travail d’un astronome.
Matériel:
- Peinture à l’eau jaune/orange/rouge
- Photo de M87 (en couleur, si possible A3)
- Gobelets en papier (recyclable, ~30-50)
- Sacs à ordures (1-2 paquets)
- 2 x hula hoop (ceuex de gymnastique rhytmique sont parfaits)
- Pinces à volonté, environ 40 (si sont des clips de bureau, c’est mieux)
- Deux bâches élastiques noires 1m x 1m
- Une boule lourde possiblement 800 gr.-1 kg, si elle est petite, c’est mieux (un poids peut être bon)
- Une boule d’environ 300 g (une boule de plage peut être un exemple)
- Billes de différentes couleurs et tailles
- Papier de cuisine pour quel es enfants se nettoient les mains
- Ciseaux (optionnel)
- Gants jetables (1 paquet) (optionnel)
Preparation de l’activité:
L’activité est conçue pour deux groupes d’environ 7-8 enfants. Chaque groupe travaille en parallèle sur un hula-ho, en suivant les mêmes indications que ci-dessous.
- Étendre la toile noire sur chacun des deux hula hoop et commencer à la fixer avec les pinces. Ce sera nôtre Univers, l’espace. Si la toile est très élastique, vous pouvex la tendre assez, mais si le tessu est trop rigide, on peut laisser un peu lâche, mais attention à ne pas former de rides.
- Préparer des tabliers pour les enfants (ils servent quand ils doivent utiliser la peinture pour eviter qu’ils ne se sailissent): prenez les sacs poubelle et faitez un trou pour la tête et deux pour les bras.
Description de l’activité:
Une fois construit nôtre simulateur d’Univers avec l’hula hop et la toile, on peut faire voir aux enfants comments des masses dfférentes ont des effets différents sur la toile. Prenez des billes de différentes tailles, et montrez-leur comment elles déforment la toile différemment si elles sont laissées immobiles (les plus lourdes provoqueront une deformation plus grande) et comment elles se comportent si nous les faisons lancer. Nous pouvons aussi utiliser la bille de 300 grammes comme exemple du Soleil, la placer au centre et inciter les enfants à lancer les billes plus légères autour d’elle de manière qu’elles commencent à orbiter autour d’elle.
On remplace la bille-Soleil avec la boule la plus lourde (notre trou noir) et on répète l’expérience en observant que la deformation de la toile est plus grande, et que, par conséquent, les effets de la gravité sur les autres billes sont plus intenses: les billes tombent beaucoup plus vite dans le trou noir. La gravité d’un trou noir est si puissante qu’elle capture aussi la lumière. La lumière qui tombe dans le trou noir ne peut plus sortir, et c’est pourquoi le trou noir est noir: non seulement il n’émet pas de lumière, mais la capture.
Toutefois, les astronomes ont réussi à “photographier” un trou noir. Pour photographier un objet qui n’émet pas de lumière, ils ont exploité le fait que, lorsque la matière tombe dans le trou noir (dans la cas precedent, les billes qui ont été lancées, ou bien les étoiles, les planètes et les asteroïdes) elle émets des radiations. Pour reproduire cet expériment, nous faisons porter aux enfants les tabliers préparés précédemment. On leur donne des verres à goiurdon et on leur fait temper une bille. En gardant toujours la masse la plus lorde au centre de la toile, in fait répéter le lancer aux enfants avec les boules impregnées de peinture. Nous verrons qu’elles laisseront des traces colorées le long de leur trajectoires. Au fur et à mésure quel es enfants lancent les billes, la toile devrait devenir de plus en plus coloré, un dessin à spirale devrait se former autour du trou noir. C’est le disque de croissance autour du trou noir, et cest ce que les astronomes ont exploité pour prendre la première photo du trou noir M87*.
Pour conclure l’activité, nous comparons la photo originale prise par les astronomes avec le dessin obtenu avec des tempres, et nous remarquons la ressemblance:
Description du processus physique:
Les trous noirs n’émettent pas de lumière à cause de leur extrème gravité. Pour les observer, les astronomes utilisent donc la lumière émise par la matière environnante au trou noir, qui crée un contraste avec le fond et le trou noir même, en permettant donc d’observer pas directement le trou noir, mais son ombre sur la lumière environnante. Cette matière orbitant autour du trou noir est appelée le disque d’accrétion, et est composée par le gaz chaud appelé plasma. Le plasma tourne autour du trou noir à différentes vitesses, avec des couches internes qui tournent à une vitesse plus élevée que les couches (comme les planètes du Système Solaire: Neptune tourne plus lentamente di Mercurio). Cette différence de vitesse fait que les différentes couches “glissent” l’une sur l’autre en générant du frottement. À cause de ce frottement, le plasma chauffe et émet de la lumière, que nous pouvons observer avec nos télescopes. Avec cette technique, les astronomes de l’Event Horizon Telescope, ont pu observer pour la première fois en 2019 le trou noir supermassif au centre de la galaxie M87, à environ 52 millions d’années-lumière de la Terre. La photo ci-dessous a été prise grâce à l’observation de plusieurs radio-télescopes partout per le monde. Dans la photo, le disque autour le trou noir apparait plus lumineux d’un côté en raison de son orientation par rapport à la Terre. Le côté le plus lumineux du disque est celui qui tourne vers la Terre, tandis que le côte le plus sombre est celui qui tourne dans la direction opposée. Cela fait que la lumière émise par le côté qui tourne envers nous semble plus intense.
