En savoir plus sur l'effet Doppler

Les astronomes étudient la lumière des objets éloignés afin de les comprendre. La lumière se déplace dans l'espace à 299 000 kilomètres par seconde, et son trajet peut être dévié par la gravité ainsi qu'absorbé et dispersé par des nuages ​​de matière dans l'univers. Les astronomes utilisent de nombreuses propriétés de la lumière pour tout étudier, des planètes et de leurs lunes aux objets les plus éloignés du cosmos.

Un outil qu'ils utilisent est l'effet Doppler. Il s'agit d'un changement dans la fréquence ou la longueur d'onde du rayonnement émis par un objet lorsqu'il se déplace dans l'espace. Il porte le nom du physicien autrichien Christian Doppler qui l'a proposé en 1842.

Comment fonctionne l'effet Doppler? Si la source de rayonnement, disons un étoile, se dirige vers un astronome sur Terre (par exemple), alors la longueur d'onde de son rayonnement apparaîtra plus courte (fréquence plus élevée, et donc énergie plus élevée). D'un autre côté, si l'objet s'éloigne de l'observateur, alors la longueur d'onde apparaîtra plus longue (fréquence et énergie plus faibles). Vous avez probablement connu une version de l'effet lorsque vous avez entendu un sifflement de train ou une sirène de police alors qu'il passait devant vous, changeant de hauteur lorsqu'il passe près de vous et s'éloigne.

L'effet Doppler est à l'origine de technologies telles que le radar de police, où le "pistolet radar" émet de la lumière d'une longueur d'onde connue. Ensuite, cette "lumière" radar rebondit sur une voiture en mouvement et retourne à l'instrument. Le décalage de longueur d'onde qui en résulte est utilisé pour calculer la vitesse du véhicule. (Remarque: il s'agit en fait d'un double décalage car la voiture en mouvement agit d'abord comme observateur et subit un changement, puis comme source mobile renvoyant la lumière au bureau, décalant ainsi la longueur d'onde d'une seconde temps.)

Lorsqu'un objet s'éloigne (c'est-à-dire s'éloigne) d'un observateur, les pics de rayonnement émis seront plus éloignés qu'ils ne le seraient si l'objet source était immobile. Le résultat est que la longueur d'onde de lumière résultante apparaît plus longue. Les astronomes disent qu'il est "décalé vers le rouge" du spectre.

Le même effet s'applique à toutes les bandes du spectre électromagnétique, telles que radio, radiographie ou rayons gamma. Cependant, les mesures optiques sont les plus courantes et sont à l'origine du terme "redshift". Plus la source s'éloigne rapidement de l'observateur, plus la redshift. D'un point de vue énergétique, des longueurs d'onde plus longues correspondent à un rayonnement d'énergie plus faible.

Inversement, lorsqu'une source de rayonnement s'approche d'un observateur, les longueurs d'onde de la lumière apparaissent plus rapprochées, ce qui raccourcit efficacement la longueur d'onde de la lumière. (Encore une fois, une longueur d'onde plus courte signifie une fréquence plus élevée et donc une énergie plus élevée.) Spectroscopiquement, les raies d'émission semblent décalées vers le côté bleu du spectre optique, d'où le nom décalage vers le bleu.

Comme avec le décalage vers le rouge, l'effet est applicable à d'autres bandes du spectre électromagnétique, mais l'effet est le plus souvent discuté de la lumière optique, bien que dans certains domaines de l'astronomie ce ne soit certainement pas le Cas.

L'utilisation du décalage Doppler a donné lieu à d'importantes découvertes en astronomie. Au début des années 1900, on pensait que le univers était statique. En fait, cela a conduit Albert Einstein ajouter la constante cosmologique à sa fameuse équation de champ pour "annuler" l'expansion (ou la contraction) prédite par son calcul. Plus précisément, on croyait autrefois que le «bord» de la voie Lactée représentait la frontière de l'univers statique.

Alors, Edwin Hubble ont constaté que les soi-disant "nébuleuses en spirale" qui avaient tourmenté l'astronomie pendant des décennies étaient ne pas nébuleuses du tout. C'étaient en fait d'autres galaxies. Ce fut une découverte incroyable et a dit aux astronomes que le univers est beaucoup plus grand qu'ils ne le pensaient.

Hubble a ensuite procédé à la mesure du décalage Doppler, trouvant spécifiquement le décalage vers le rouge de ces galaxies. Il a découvert que plus une galaxie est éloignée, plus elle recule rapidement. Cela a conduit à la désormais célèbre Loi de Hubble, qui dit que la distance d'un objet est proportionnelle à sa vitesse de récession.

Cette révélation a conduit Einstein à écrire que le sien l'ajout de la constante cosmologique à l'équation du champ a été la plus grande erreur de sa carrière. Fait intéressant, cependant, certains chercheurs placent maintenant la constante retour dans relativité générale.

Il se trouve que la loi de Hubble n'est vraie que jusqu'à un certain point puisque la recherche au cours des deux dernières décennies a révélé que galaxies lointaines reculent plus rapidement que prévu. Cela implique que l'expansion de l'univers s'accélère. La raison en est un mystère, et les scientifiques ont surnommé la force motrice de cette accélération énergie noire. Ils en tiennent compte dans l'équation du champ d'Einstein en tant que constante cosmologique (bien qu'elle soit d'une forme différente de la formulation d'Einstein).

En plus de mesurer l'expansion de l'univers, l'effet Doppler peut être utilisé pour modéliser le mouvement des choses beaucoup plus près de chez soi; à savoir la dynamique de la Galaxie de la voie lactée.

En mesurant la distance aux étoiles et leur décalage vers le rouge ou vers le bleu, les astronomes peuvent cartographier mouvement de notre galaxie et obtenir une image de ce que notre galaxie peut ressembler à un observateur de l'autre côté de la univers.

L'effet Doppler permet également aux scientifiques de mesurer les pulsations des étoiles variables, ainsi que mouvements de particules se déplaçant à des vitesses incroyables à l'intérieur de courants-jets relativistes émanant de trous noirs supermassifs.

Édité et mis à jour par Carolyn Collins Petersen.