Explication de l’application


Ce n’est pas un concept nouveau, on sait que les étoiles sont des astres lumineux puissants. De nos jours, on sait analyser le spectre lumineux d’une étoile: la lumière reçue est décomposée pour analyse. On remarque que le spectre de la lumière reçue est le résultat de la superposition d’un spectre d’émission continu (celui de la lumière originellement émise par l’étoile au sein de sa photosphère), et d’un spectre d’absorption de raies. Ce dernier est le résultat de la présence de gaz sur « le chemin» emprunté par la lumière : de la photosphère de l’étoile, jusqu’à la terre. Ces gaz peuvent être présents dans la zone périphérique de l’étoile, sa couronne, ou dans des nuages de gaz interstellaires.


Les longueurs d’onde des raies de ces spectres d’absorption sont spécifiques de l’entité chimique absorbante. Pour la lumière d’une étoile, on obtient ainsi un spectre d’absorption de raies, résultat de la superposition des deux précédents spectres tel que :


Comme de nos jours on sait à quoi les raies de longueurs d’ondes définies correspondent, on peut déterminer la nature des gaz qui composent les zones périphériques stellaires.

Réciproquement, comme on connaît la nature des gaz constituant les couronnes des étoiles (grâce à une extrapolation des données solaires à l’ensemble des étoiles et à la théorie générale de formation d’une étoile), on peut à l’avance prévoir les raies noires présentes sur le spectre de la lumière reçue, par des mesures en laboratoire des longueurs d’ondes de leurs raies caractéristiques.

C’est à ce niveau que l’on constate une anomalie, du moins pour des étoiles assez éloignées : les raies caractéristiques des espèces gazeuses sont toutes décalées dans une même direction. Lorsqu’elles sont toutes décalées vers la couleur rouge, on nomme ce phénomène le redshift. Lorsque ces raies sont décalées vers le bleu et le violet, on l’appelle le blueshift.


Remarquons cependant que, quelque soit le décalage, toutes les raies du spectre subissent le même, 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. Quel phénomène est alors à l’origine de ces anomalies spectrales ?

Tout simplement l’effet Doppler, ou, devrions nous dire dans ce cas, l’effet Doppler-Fizeau (le français Hippolyte Fizeau prouva en 1848 que l’effet Doppler s’applique aussi pour les ondes lumineuses, prédisant ainsi ces anomalies de décalages.). En fait, c’est le même phénomène qui se produit avec la radio de la voiture, mais à des échelles beaucoup plus importantes. La nature de l’onde constitue la seule différence entre les deux systèmes expérimentaux. Mais comme cet effet est tout aussi valable pour les ondes électromagnétiques lumineuses, si la source lumineuse s’éloigne, les longueurs d’ondes vont augmenter, d’où le redshift, et si elle se rapproche, elles vont, au contraire, diminuer (blueshift).



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Calculs mathématiques


Noté z , le décalage spectral synonyme d’effet Doppler-Fizeau est aisément calculé par la formule :
z = (λr – λo)/λo

Où λo est la longueur d’onde normalement émise mesurée en laboratoire, et λr la longueur d’onde de la lumière reçue, mesurée par les instruments astronomiques.

Par convention donc, un décalage positif désignera un décalage vers les grandes longueurs d’ondes donc le rouge, et un décalage négatif désignera un décalage vers des longueurs d’ondes plus petites donc un blueshift.

On peut déduire la cause de ce décalage spectral grâce à l’exploitation de l’effet Doppler-Fizeau, qui traduit un mouvement de la source émettrice. Lorsque la vitesse relative radiale de la source projetée le long de la ligne de visée , notée vr, est petite par rapport à la vitesse de la lumière , notée c, le décalage vaut :
z = vr / c et, réciproquement, on peut calculer la vitesse radiale de la source lorsque le décalage z est beaucoup plus petit que l’unité (dans le cas contraire la formule approximée n’est plus exploitable) :
vr = zc Ainsi, on a : vr = c ( λr – λo)/λo, d’où vr = c ( λr / λo – 1).

Cependant, la vitesse radiale ne donne pas la valeur du vecteur vitesse de l’objet mobile, mais uniquement la composante de celui-ci sur la ligne de visée. Pour connaître les autres composantes, c’est-à-dire la composante orthogonale à la ligne de visée, il faut en général observer le mouvement propre de l’objet et connaître sa distance. Ces deux composantes sont souvent difficiles à déterminer, même si l’on y arrive aujourd’hui, obtenant ainsi une approximation fiable du vecteur vitesse du corps céleste mobile.

Mais l’effet Doppler ne sert pas seulement à étudier la cinétique et la dynamique d’un corps céleste en astronomie. Il a permit, en outre, de formuler l’hypothèse d’un univers en expansion ou, plus indirectement, d’approximer l’âge de l’univers.

En effet, des observations montrent que le mouvement relatif général de l’ensemble des corps céleste appartenant à des Galaxies différentes de la notre n’est pas le même que ceux présents au sein de notre même Voie Lactée. On a recensé autant de blueshift que de redshift dans notre immense essaim céleste, ce qui prouve une hétérogénéité dans les mouvements des sources lumineuses. En revanche, en dehors de notre galaxie, on a essentiellement observé des redshifts, ce qui traduit un éloignement général des autres galaxies par rapport à la notre, et l’on peut supposer les unes par rapport aux autres. La théorie d’expansion de l’univers dès lors prend vie, grâce à l’interprétation de l’effet Doppler sous la forme des redshifts. En réalité, les galaxies ne s’éloignent même pas, ce phénomène est surement du à une dilatation de l’espace lui-même entre les galaxies, sous la force des champs gravitationnels que sont les amas de galaxies. L’image la plus répandue pour expliquer ce phénomène est celle du cake aux raisins qui cuit dans un four. Soient les raisins les galaxies et la mie l’espace, au fur et à mesure que le cake cuit, il a tendance à gonfler. Au cours du temps donc, du point de vue d’un raisin, la pate se gonfle de telle manière que tous les autres semblent le fuir, sans qu’il puisse y avoir de « raisin central ». Ce gonflement de la pâte se fait à la même cadence en tous points du gateau. L’effet de cumul du gonflement fait que les raisins les plus éloignés du raisin de référence s’écartent plus vite que ceux qui en sont proches. De plus, les raisins eux-mêmes ne changent pas de taille et ne sont pas réellement en mouvement : chacun est au repos par rapport à la pâte directement en contact avec lui.


C’est sensiblement le même phénomène qui se produit pour les galaxies qui ne sont pas réellement en mouvement d’éloignement les unes des autres, elles sont immobiles dans un espace lui-même en train de s’étirer. Leur force gravitationnelle leur permet de « geler » la structure de l’espace qui les avoisine et empêche l’expansion de leur propre contenu (C’est d’ailleurs remarquable car justement si l’expansion de l’ensemble des composants de la galaxie avait lieu, nous ne pourrions même pas nous rendre compte de l’expansion générale de l’univers car l’on évoluerait avec lui). Par ailleurs, par l’analogie avec les raisins, on peut déduire que chaque galaxie est le centre de l’expansion : tout observateur, sur n’importe quelle galaxie, verra ainsi toutes les autres galaxies s’éloigner de lui, l’effet de cumul entrainant une vitesse d’expansion proportionnelle à la distance séparant de la galaxie de référence. En 1929, Edwin Hubble a découvert ce phénomène qu’il a traité dans sa loi homonyme sous la formule :

Loi de Hubble : V = Hd

Où V est la vitesse de la galaxie en question, d la distance qui la sépare d’une galaxie de référence et H la constante de Hubble (Un Mpc (kilomètre par seconde par mégaparsec) = 106 pc (parsec) = 3,26.106 al (année lumière)).

Cette relation est souvent utilisée pour trouver la valeur de la distance d’une galaxie lointaine, à partir de sa vitesse.

La formule la plus exacte pour calculer la vitesse radiale (v), la vitesse V des galaxies étant non négligeable devant celle de la célérité lumineuse (c), est préférablement la formule relativiste qui tient compte du fait que les temps mesurés dans les repères en mouvement sont plus court d’un facteur très utilisé en relativité : (1-( v/c )2) ½.

En introduisant ce facteur, on obtient une formule relativiste qui permet de ne plus préciser l’élément mobile du système : λr = λo ((1+v/c) / (1-v/c)) ½

Il est ainsi possible, à partir de la mesure du redshift, de calculer la vitesse de la galaxie étudiée, et d’en déduire, par le biais de la loi de Hubble, sa distance par rapport à nous.

Pouvant calculer dès lors la distance et la vitesse d’expansion des objets célestes les plus éloignés de nous , les scientifiques, avec une mesure très précise de la vitesse de la lumière , ont d’abord estimé l’âge de l’univers à environ 15 milliards d’années, avant de proposer le chiffre 13,7 milliards grâce aux récentes données du satellite artificiel WMAP

De nombreuses théories ont tenté de s’ajouter pour expliquer ces anomalies spectrales ou cette idée d’expansion de l’univers. Einstein lui-même en a proposé plusieurs, comme celle du décalage d’Einstein ou celle de la lumière fatiguée, cette dernière, évoquant une possible diminution de la vitesse de la lumière et considérant qu’à l’origine, lors du Big Bang donc, elle était infinie et remettant donc en cause toutes les précédentes théories. Mais celles-ci ont été abandonnées par la communauté scientifique qui a privilégié celle de l’expansion de l’univers grâce à l’exploitation relativiste de l’effet Doppler et des décalages spectraux.

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