Décalage vers le rouge

Le décalage vers le rouge est un phénomène astronomique de décalage vers les grandes longueurs d'onde des raies spectrales...



Catégories :

Cosmologie - Grandeur sans dimension - Métrologie - Spectroscopie astronomique - Spectroscopie - Mesure physique

Page(s) en rapport avec ce sujet :

  • LE DECALAGE VERS LE ROUGE. Question de spectre. Chaque galaxie, lumineuse, émet un spectre visible de la Terre. Un spectre est une lumière, émise par une... (source : pierredw.chez)
  • Le décalage vers le rouge était lié à la dilatation de l'espace, pas à un déplacement véritable des galaxies. Pour mieux le visualiser, nous pouvons faire... (source : astronomes)
On se rend compte que les ondes qui proviennent d'une source lumineuse sont plus longues quand celle-ci s'éloigne. Les ondes sont «étalées» et la lumière qui nous parvient est par conséquent rougie, c'est le décalage vers le rouge, ou redshift.
Légende :
1 : Ondes rallongées à l'arrière de la source lumineuse dues à son déplacement.
2 : Sens de déplacement de la source lumineuse.
3 : Source lumineuse.
4 : Ondes raccourcies à l'avant de la source lumineuse dues à son déplacement.

Le décalage vers le rouge (redshift en anglais) est un phénomène astronomique de décalage vers les grandes longueurs d'onde des raies spectrales et de la totalité 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 reconnu comme la preuve de l'expansion de l'univers et du modèle cosmologique du Big Bang.

Le terme est aussi utilisé pour la notion plus générale de décalage spectral, soit vers le rouge, soit vers le bleu (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.

Définition et mesure

Le décalage spectral est facilement 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, la longueur d'onde 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 souvent 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 la totalité du spectre, ce qui implique qu'il s'agit d'une conséquence d'un seul et même phénomène, et non d'un phénomène spécifique à un type d'atome.

Histoire

Le décalage spectral du son est bien connu : le même son émis par un objet en mouvement nous semble plus aigu quand l'objet s'approche et plus grave quand il s'éloigne. Le même phénomène pour la lumière fut découvert par Hippolyte Fizeau en 1848 dans le cadre de la mécanique classique. La relativité restreinte d'Albert Einstein (1905) permit de généraliser le calcul du décalage spectral aux sources se déplaçant à une vitesse proche de celle de la lumière.

En 1929, après une longue série d'observations, l'astronome Edwin Hubble (en collaboration avec Milton Humason) énonça la loi de Hubble.

Il apparaît que la lumière en provenance des galaxies distantes subit, en moyenne, 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 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, à cause des mouvements locaux). Cette interprétation s'avère actuellement incorrecte, et l'interprétation moderne se base sur la relativité générale, 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 toujours 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.

Lorsque la vitesse relative de la source projetée le long de la ligne de visée, v, est petite comparé à la vitesse de la lumière c le décalage vaut :

z \approx v/c

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

v \approx z c.

Les calculs restent envisageable même quand la vitesse de la source se rapproche de celle de la lumière.

L'expansion de l'univers

Quand un astre se déplace, ses raies spectrales sont aussi 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 par conséquent plus d'un effet Doppler comme on le présente toujours quelquefois actuellement, 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 l'ensemble des photons de l'univers.

Le décalage vers le rouge 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 car l'univers est en expansion. La quantité \frac{a_0}{a(t)} est par conséquent supérieure à 1, et z est positif, ce qui correspond comme attendu à un décalage vers le rouge.

Article détaillé : Expansion de l'univers.
Article détaillé : Loi de Hubble.

L'effet gravitationnel

Voir article de fond : décalage d'Einstein

La théorie de la relativité générale d'Einstein prédit que la lumière se déplaçant dans un champ de gravitation subit un décalage vers le rouge ou vers le bleu. Cet effet est nommé le décalage d'Einstein. Sur Terre, il est faible mais mesurable en utilisant l'effet Mössbauer. À proximité d'un trou noir, cet effet deviendrait significatif au point qu'à l'horizon des événements le décalage serait illimité.

Ce décalage gravitationnel fut proposé dans les années 1960 comme explication des grands décalages vers le rouge observés pour les quasars, mais cette théorie n'est guère acceptée actuellement.

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 illimitée. Mais ces théories restent difficilement soutenables dans la mesure où 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 lorsqu'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, la question de la «variation éventuelle de la vitesse de la lumière» est une question énormément plus complexe que ne se le figurent fréquemment les non-spécialistes. On lira avec intérêt les articles de J. -P. Uzan sur ce sujet[1], [2].

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 par conséquent indispensable de garder en tête qu'une variation de la constante c (une fois une telle chose définie proprement[2]) ne changerait certainement que particulièrement 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 de l'univers

On écrit quelquefois 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 précisé ci-dessous), elle ne convient absolument pas pour les objets particulièrement lointains. Pour ceux-là, la situation est plus compliquée. Dans un premier temps, 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, distance angulaire, etc. ). Qui plus est , le décalage vers le rouge n'étant pas dû à un effet Doppler, il ne s'interprète pas aisément en termes de vitesse. La relativité générale sert à calculer la relation entre le décalage vers le rouge et une distance convenablement définie. Cette relation dépend du modèle cosmologique qu'on considère. Si on se place dans le cadre d'un modèle cosmologique donné, il existe une correspondance entre le décalage vers le rouge et la distance, et on exprime quelquefois les distances en terme du décalage vers le rouge noté z. A titre d'exemple, pour le rayonnement cosmologique de fond on peut estimer que z \approx 1100.

Références

  1. J. -P. Uzan, «Dimensions et constantes principales» in Le réel et ses dimensions, EDP Sciences, 2003
  2. '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.

Recherche sur Amazon (livres) :



Principaux mots-clés de cette page : décalage - vers - rouge - source - effet - lumière - vitesse - univers - distance - expansion - objets - ondes - cosmologique - doppler - quand - générale - spectral - mouvement - mesure - relativité - lumineuse - phénomène - astronomique - observé - conséquent - longueurs - modèle - bleu - einstein - hubble -

Ce texte est issu de l'encyclopédie Wikipedia. Vous pouvez consulter sa version originale dans cette encyclopédie à l'adresse http://fr.wikipedia.org/wiki/D%C3%A9calage_vers_le_rouge.
Voir la liste des contributeurs.
La version présentée ici à été extraite depuis cette source le 11/11/2010.
Ce texte est disponible sous les termes de la licence de documentation libre GNU (GFDL).
La liste des définitions proposées en tête de page est une sélection parmi les résultats obtenus à l'aide de la commande "define:" de Google.
Cette page fait partie du projet Wikibis.
Accueil Recherche Aller au contenuDébut page
ContactContact ImprimerImprimer liens d'évitement et raccourcis clavierAccessibilité
Aller au menu