Décalage vers le rouge
Source: Wikipédia sous licence CC-BY-SA 3.0.
La liste des auteurs de cet article est disponible ici.
On se rend compte que les ondes qui proviennent d'une source lumineuse sont plus longues lorsque celle-ci s'éloigne. Les ondes sont
On se rend compte que les ondes qui proviennent d'une source lumineuse sont plus longues lorsque celle-ci s'éloigne. Les ondes sont " étalées " et la lumière qui nous parvient est donc rougie, c'est le décalage vers le rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait usage.), ou redshift.

Le décalage vers le rouge (Le décalage vers le rouge ou redshift est un phénomène astronomique de décalage vers les grandes longueurs d'onde des raies spectrales et de l'ensemble du spectre – ce qui se traduit par un...) ou redshift est un phénomène astronomique de décalage vers les grandes longueurs d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie...) des raies spectrales et de l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être...) du spectre – ce qui se traduit par un décalage vers le rouge pour le spectre visible – observé parmi les objets astronomiques lointains.

C'est un phénomène bien documenté et considéré comme la preuve de l'expansion de l'univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.) et du modèle cosmologique du Big Bang (Le Big Bang est l’époque dense et chaude qu’a connu l’univers il y a environ 13,7 milliards d’années, ainsi que l’ensemble des modèles cosmologiques qui la décrivent, sans que...).

Le terme est également employé pour la notion plus générale de décalage spectral, soit vers le rouge, soit vers le bleu (Bleu (de l'ancien haut-allemand « blao » = brillant) est une des trois couleurs primaires. Sa longueur d'onde est comprise approximativement entre 446 et...) (blueshift), observé parmi les objets astronomiques selon qu'ils s'éloignent ou se rapprochent, indépendamment du mouvement général d'expansion. Dans cette acception, il est synonyme d'effet Doppler-Fizeau (L'effet Doppler-Fizeau est le décalage entre la fréquence de l'onde émise et de l'onde reçue lorsque l'émetteur et le récepteur sont en mouvement l'un par rapport à l'autre ; il apparaît aussi lorsque l'onde se réfléchit sur...).

Définition (Une définition est un discours qui dit ce qu'est une chose ou ce que signifie un nom. D'où la division entre les définitions réelles et les définitions nominales.) et mesure

Le décalage spectral est aisément mesurable car les raies spectrales des atomes sont identifiables et bien connues, par exemple grâce à des mesures en laboratoire. Il est alors aisé de repérer un décalage entre λ0 et la longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou...) d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle...) observée en laboratoire (qui doit être celle réellement émise par la source) et λobs celle observée par les instruments astronomiques.

Le décalage spectral est mesuré par

z = \frac{\lambda_\mathrm{obs}-\lambda_0}{\lambda_0}

On utilise fréquemment dans les calculs l'expression 1 + z :

1 + z = \frac{\lambda_\mathrm{obs}}{\lambda_0}

Ce décalage peut être observé vers le rouge (décalage vers les grandes longueurs d'onde : z positif) ou vers le bleu (resp. les courtes : z négatif).

Dans le cas des objets astronomiques, le décalage est remarquable car il est le même sur l'ensemble du spectre, ce qui implique qu'il s'agit d'une conséquence d'un seul et même phénomène, et non d'un phénomène particulier à un type d'atome (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se...).

Histoire

Le décalage spectral du son est bien connu : le même son émis par un objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être désigné par...) en mouvement nous semble plus aigu lorsque l'objet s'approche et plus grave lorsqu'il s'éloigne. Le même phénomène pour la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde...) fut découvert par Hippolyte Fizeau (Armand Hippolyte Louis Fizeau (1819-1896) est un physicien français qui travailla notamment sur la lumière.) en 1848 dans le cadre de la mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres...) classique. La relativité restreinte (On nomme relativité restreinte une première version de la théorie de la relativité, émise en 1905 par Albert Einstein, qui ne considérait pas la question...) d'Albert Einstein (Albert Einstein (né le 14 mars 1879 à Ulm, Wurtemberg, et mort le 18 avril 1955 à Princeton, New Jersey) est un physicien...) (1905) permit de généraliser le calcul du décalage spectral aux sources se déplaçant à une vitesse (On distingue :) proche de celle de la lumière.

En 1929, après une longue série d'observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré explique la très grande participation des...), l'astronome (Un astronome est un scientifique spécialisé dans l'étude de l'astronomie.) Edwin Hubble (Le télescope spatial Hubble (en anglais, Hubble Space Telescope ou HST) est un télescope en orbite à environ 600 kilomètres d'altitude, il effectue un tour complet de la Terre toutes les 100 minutes. Il est nommé en...) (en collaboration avec Milton Humason) énonça la loi de Hubble (En astronomie, la loi de Hubble énonce que les galaxies s'éloignent les unes des autres à une vitesse (approximativement, voir ci-dessous) proportionnelle à leur distance. Autrement dit, plus une galaxie...).

Il apparaît que la lumière en provenance des galaxies distantes subit, en moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de quantités : elle exprime la grandeur qu'auraient chacun des...), un décalage vers le rouge proportionnel à leur distance. L'effet s'observe en moyenne : on observe des galaxies dont la lumière est plus ou moins décalée vers le rouge, ou même décalée vers le bleu, comme par exemple la galaxie (Galaxies est une revue française trimestrielle consacrée à la science-fiction. Avec ce titre elle a connu deux existences, prenant par...) d'Andromède.

En appliquant l'hypothèse que cela provient d'un mouvement de la source, par effet Doppler, on en a déduit que, en moyenne, les sources s'éloignent de nous d'autant plus vite qu'elles sont déjà plus loin (ce qui n'exclut pas que certaines sources se rapprochent de nous, en raison des mouvements locaux). Cette interprétation s'avère aujourd'hui incorrecte, et l'interprétation moderne se base sur la relativité générale (La relativité générale, fondée sur le principe de covariance générale qui étend le principe de relativité aux...), qui introduit un décalage vers le rouge non relié à un effet Doppler.

Causes du décalage spectral

Le décalage vers le rouge peut avoir plusieurs causes :

Le mouvement de la source

Voir article de fond : effet Doppler-Fizeau.

L'effet Doppler dû au mouvement de la source est la première idée et encore la plus présente.

Si z > 0, le décalage est vers le rouge, la source s'éloigne ; si z < 0, le décalage est vers le bleu, elle se rapproche.

Quand la vitesse relative de la source projetée le long de la ligne de visée, v, est petite par rapport à la vitesse de la lumière (La vitesse de la lumière dans le vide, notée c (pour « célérité », la lumière se manifestant macroscopiquement comme un phénomène...) c le décalage vaut :

z \approx v/c

et, réciproquement, on peut calculer la vitesse de la source lorsque le décalage z est beaucoup plus petit que l'unité :

v \approx z c.

Les calculs restent possible même lorsque la vitesse de la source se rapproche de celle de la lumière.

L'expansion de l'univers

Lorsqu'un astre se déplace, ses raies spectrales sont également décalées
Lorsqu'un astre se déplace, ses raies spectrales sont également décalées

Actuellement, constatant un décalage vers le rouge de la lumière émise par des sources cosmologiques quasi proportionnel à leur distance, les modèles cosmologiques dominants l'interprètent comme un effet de l'expansion de l'univers.

Il ne s'agit donc plus d'un effet Doppler comme on le présente encore parfois aujourd'hui, mais bien d'un effet de relativité générale qui se comprend quantitativement en disant que l'expansion, en "allongeant" l'univers, allonge aussi la longueurs d'onde de tous les photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement interagissent, cette interaction se traduit d'un point de...) de l'univers.

Le redshift dû à l'expansion de l'univers s'écrit alors :

1 + z = \frac{a_0}{a(t)},

a(t) est le facteur d'échelle à l'époque où l'objet a émis la lumière qui nous parvient et a0 la valeur actuelle du facteur d'échelle. En pratique, le facteur d'échelle croît avec le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) car l'univers est en expansion. La quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre...) \frac{a_0}{a(t)} est donc supérieure à 1, et z est positif, ce qui correspond comme attendu à un décalage vers le rouge.

L'effet gravitationnel

Voir article de fond : décalage d'Einstein

La théorie de la relativité (Cet article traite de la théorie de la relativité à travers les âges. En physique, la notion de relativité date de Galilée. Les travaux d'Einstein en ont fait un important champ d'étude, tant théorique...) générale d'Einstein prédit que la lumière se déplaçant dans un champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) de gravitation (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.) subit un décalage vers le rouge ou vers le bleu. Cet effet est appelé le décalage d'Einstein. Sur Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus grande et la plus massive des quatre planètes...), il est faible mais mesurable en utilisant l'effet Mössbauer (Lorsque l'on traite le phénomène d'absorption-réémission (résonante ici) d'un photon par un atome, la loi de conservation d'énergie-impulsion des deux...). À proximité d'un trou noir (En astrophysique, un trou noir est un objet massif dont le champ gravitationnel est si intense qu’il empêche toute forme de matière ou de rayonnement de s’en...), cet effet deviendrait significatif au point (Graphie) qu'à l'horizon des événements (L'horizon des événements est constitué par la région de l'espace-temps dans laquelle un événement peut-être perçu par un observateur.) le décalage serait infini (Le mot « infini » (-e, -s ; du latin finitus, « limité »), est un adjectif servant à qualifier quelque chose qui n'a pas de limite en nombre ou en taille.).

Ce décalage gravitationnel fut proposé dans les années 1960 comme explication des grands décalages vers le rouge observés pour les quasars, mais cette théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance spéculative, souvent basée sur...) n'est guère acceptée aujourd'hui.

La variation de la vitesse de la lumière

La vitesse de la lumière pourrait diminuer avec le temps, des théories supposent même qu'au début elle aurait pu être infinie. Mais ces théories restent difficilement soutenables étant donné que même si on ne mesure directement cette vitesse avec une bonne précision que depuis peu de temps à l'échelle cosmologique, il existe néanmoins de nombreuses mesures indirectes qui font qu'un tel discours n'est pas simple à soutenir. Par exemple quand il s'agit d'expliquer l'abondance des éléments fondamentaux ou divers autres effets gravitationnels liés au comportement de la lumière dans un champ gravitationnel.

De plus, il est important de souligner que la question de la "variation éventuelle de la vitesse de la lumière" est une question bien plus complexe que ne se le figurent souvent les gens. On lira avec intérêt les articles de JP Uzan sur ce sujet. "Dimensions (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son épaisseur, ou bien son diamètre si c'est une pièce de révolution.) et constantes fondamentales", J-P. Uzan in "Le réel et ses dimensions", EDP Sciences, 2003; "c' is for the speed of light, isn't it?" [gr-qc/0305099] G.F.R. Ellis and J.-P. Uzan, Am. J. Phys. 73 (2005) 240.

Il existe de nombreuses observations supportant avec précision l'idée d'un univers en expansion et le décalage vers le rouge n'est qu'une parmi de nombreuses autres. Il est donc nécessaire de garder en tête qu'une variation de la constante c (une fois une telle chose définie proprement, cf Ellis & Uzan) ne changerait probablement que très peu nos idées actuelles sur l'expansion de l'univers et son évolution en dehors des " premiers instants ".

Mesure des distances et des vitesses cosmologiques, application au passé (Le passé est d'abord un concept lié au temps : il est constitué de l'ensemble des configurations successives du monde et s'oppose au futur sur une échelle des temps...) de l'univers

On écrit parfois la loi de Hubble comme une relation entre la distance et la vitesse radiale des objets observés. Si cette description convient pour certains objets (ni trop proches, ni trop lointains, au sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par une évolution progressive...) précisé ci-dessous), elle ne convient pas du tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) pour les objets très lointains. Pour ceux-là, la situation (En géographie, la situation est un concept spatial permettant la localisation relative d'un espace par rapport à son environnement proche ou non. Il inscrit un lieu dans un cadre plus général afin de le qualifier...) est plus compliquée. Tout d'abord, la notion de distance en relativité générale n'est pas dénuée d'ambiguïté, et il faut bien préciser de quelle distance on parle (distance de luminosité (La luminosité désigne la caractéristique de ce qui émet ou réfléchit la lumière.), distance angulaire (La distance angulaire est la plus petite distance entre deux points d'un cercle. Généralisée en trois dimensions, elle revient au problème de la distance du grand cercle. Le périmètre d'un...), etc.). De plus, le décalage vers le rouge n'étant pas dû à un effet Doppler, il ne s'interprète pas facilement en terme de vitesse. La relativité générale permet de calculer la relation entre le décalage vers le rouge et une distance convenablement définie. Cette relation dépend du modèle cosmologique que l'on considère. Si l'on se place dans le cadre d'un modèle cosmologique donné, il existe une correspondance (La correspondance est un échange de courrier généralement prolongé sur une longue période. Le terme désigne des échanges de courrier personnels plutôt...) entre le décalage vers le rouge et la distance, et l'on exprime parfois les distance en termes du décalage vers le rouge noté z. Par exemple, pour le rayonnement cosmologique de fond (Le fond diffus cosmologique est un rayonnement électromagnétique provenant de l'Univers, et qui frappe la Terre de façon quasi uniforme dans toutes les directions.) on peut estimer que z \approx 1100.

Page générée en 0.146 seconde(s) - site hébergé chez Amen
Ce site fait l'objet d'une déclaration à la CNIL sous le numéro de dossier 1037632
Ce site est édité par Techno-Science.net - Informations légales
Partenaire: HD-Numérique