Aberration de la lumière - Définition

Introduction

L'aberration de la lumière a été découverte par l'astronome James Bradley en 1725, mais seulement publiée en 1727. Elle se traduit par le fait que la direction apparente d'une source lumineuse dépend de la vitesse de celui qui l'observe, de la même façon que la pluie semble tomber depuis une direction située vers l'avant d'un véhicule et non à la verticale de celui-ci quand celui-ci se déplace. Bradley découvrit le phénomène en 1725 en étudiant les variations de la position apparente de l'étoile γ Draconis. Il lui fallut près de deux ans avant de comprendre ce phénomène et le publier.

Aspects historiques

La possibilité d'un déplacement apparent des étoiles comme conséquence du modèle copernicien avait été émise dès la fin du XVI^e siècle, mais c'est à un mouvement de parallaxe que la plupart des écrits faisaient allusion. Jusqu'à la fin du XVII^e siècle, aucune mesure fiable de mouvement apparent d'étoiles. C'est l'astronome français Jean Picard qui semble-t-il a été le premier à observer le phénomène d'aberration en 1680, mais qu'il tenta en vain d'expliquer en termes de parallaxe.

Le phénomène d'aberration de la lumière avait fait l'objet de plusieurs études après que Ole Christensen Rømer eut mesuré pour la première fois la vitesse de la lumière en 1676. Plusieurs tentatives de mise en évidence, notamment par l'astronome britannique John Flamsteed en 1689 eurent lieu. Il fut observé de manière convaincante par Bradley au mois de décembre 1725 avec l'étoile γ Draconis confirmé par ses observations supplémentaires en mars 1726. Plusieurs autres étoiles furent observées en 1727.

Bradley eut beaucoup de difficultés à comprendre ses observations. Une hypothèse qu'il envisagea d'abord était que le mouvement apparent des étoiles était une conséquence d'une variation de l'axe de rotation de la Terre. Cependant cette interprétation ne permettait pas d'expliquer les observations. L'anecdote raconte que c'est en observant la variation de la direction apparente du vent selon la vitesse et la direction prise par un voilier que Bradley eut l'idée d'appliquer ce raisonnement finalement assez simple à la lumière. Après s'être assuré de la validité de l'hypothèse selon laquelle c'était l'aberration qui était responsable du mouvement apparent des étoiles, il se rendit compte qu'en soustrayant ce phénomène aux mouvements apparents observés il subsistait encore un mouvement apparent des étoiles. Se souvenant de son hypothèse initiale, il put alors démontrer l'existence d'une petite variation de l'axe de rotation de la Terre : c'est le phénomène de nutation, qu'il attendit une vingtaine d'années avant de le publier en 1748.

Calcul classique

On considère deux référentiels R et R' en translation l'un par rapport à l'autre, avec une vitesse v. On suppose que les axes des deux référentiels restent parallèles. Si la lumière parvient dans le plan Oxy du référentiel R, en faisant un angle θ avec l'axe Ox. La vitesse de la lumière a alors pour composantes . Dans le référentiel R', ces composantes deviennent , formant donc un angle θ' tel que :

Si l'étoile est au zénith (θ = π / 2), alors ou encore . L'écart d'angle est donc d'environ v/c. L'observation de la même étoile à six mois d'intervalle (pendant lesquels la vitesse de la Terre passe de v à -v) permet de mesurer le double de cet angle. Connaissant v, on peut en déduire c. Pour le phénomène d'aberration des étoiles, c'est le rapport v / c que l'on mesure, où v est la vitesse orbitale de la Terre, à peu près constant au cours du temps car l'orbite de la Terre est quasi circulaire. L'amplitude du mouvement d'aberration est de v / c, exprimé en termes d'angle, soit 20.49552". C'est ce que l'on appelle la constante d'aberration.