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L'effet Doppler

S-4A-2     Le décalage de fréquence et l'univers en extension


    Index


Le soleil

S-1. Lumière du soleil et terre

S-1A. Temps météo

S-1B. Climat global

S-2.Les couches du soleil

S-3.Le soleil magnétique

S-3A. Champs magnétiques
        interplanétaires

S-4. Couleurs de la lumière du soleil


Facultatif : Effet Doppler

S-4A-1 Vitesse de la lumière

S-4A-2. Décalage de fréquence

S-4A-3 Galaxies en rotation
            et matière sombre
------------------------

  S-5.Ondes & Photons

Facultatif : Physique Quantique

Q1.Physique Quantique

Q2. Atomes

Q3. Niveaux d'énergie

Q4. Rayonnement des
        objets chauds
   Christian Doppler naquit en 1803 à Salzbourg, Autriche, où son père était tailleur de pierres. À l'école il excellait en science, ce qui le conduit à suivre des études universitaires à l'institut polytechnique de Vienne avant même de finir sa scolarité. Il devint ensuite professeur à Prague (maintenant capitale de la République Tchèque, alors rattachée à l'empire autrichien), puis professeur spécialisé en physique, d'abord à Prague, puis à Vienne. Il est mort d'une affection pulmonaire à 49 ans.

   Il conçut ce qui est maintenant appelé l' effet Doppler selon un raisonnement proche de celui de Ole Roemer au sujet des éclipses de la lune Io de Jupiter. Considérons que la tonalité de base d'un bruit qui se propage dans l'air, est une fluctuation périodique de pression avançant dans l'espace. La durée T entre deux crêtes successive de pression est la période de l'onde: Plus T est court , plus le son que nous entendons est aigu. Si l'onde se déplace à la vitesse v, le nombre de crêtes arrivant chaque seconde--la fréquence f (également notée par ν , lettre grecque "nu")--est   f = 1/T oscillations - par - secondes, et plus f est élevé, plus le son est aigu.

   Si l'onde avance vers l'auditeur à la vitesse v, la distance qu'elle parcourt en une seconde correspond donc aussi à v, et les oscillations f peuvent être imaginées comme un "train d'onde " étendu sur cette distance v et correspondant à une seconde--son front étant émis au début de la seconde, sa terminaison à la fin de celle-ci.

   Imaginons maintenant n'importe quelle source de bruit , oscillant f fois par seconde, se rapprochant de l'auditeur à la vitesse U. Maintenant le "train d'ondeF" est plus court. Son arrière n'est plus qu'à une distance (v-u) de son avant, parce quand il a été émis, la source s'est avancée d'une distance u.

   Il y a encore f oscillations dans le train d'ondes, mais puisque sa longueur est plus courte, le temps entre chaque deux crêtes se raccourcit à

T '= (v–u)/f

L'auditeur qui reçoit des ondes dont les crêtes ne sont séparées que par un temps T ' percevra un son dont les crêtes sont rapprochées, comme si leurs fréquences s'étaient élevées à

f ' = 1/T '= f/(v–u)

   Si la source s'éloigne à la vitesse u, le même calcul montre que la fréquence observée est

f '= f/(v+u)

et est donc réduite. Ceci est, essentiellement, l'effet Doppler.

   Cette prévision de Doppler fut vérifiée en 1845 par le physicien hollandais Buys Ballot, qui plus tard proposa aussi la loi de Buys-Ballot expliquant que les ouragans et autre dépressions climatiques tournent dans le sens contraire des aiguilles d'une montre au nord de l'équateur, dans le sens des aiguilles d'une montre au sud. C'était l'époque des premiers chemins de fer, et Buys-Ballot y installa un joueur de cor jouant régulièrement une note alors qu'il avait placé un bon musicien sur le trajet, pour estimer la baisse de tonalité de ce qu'il écoutait. La vitesse du train fut également mesurée, analysant ainsi la variation prévue. Les sifflements des trains rapides actuels sont bien sur sujet à une baisse très notable de ton lors de leur passage devant un auditeur.
      Et à domicile...   Il y a derrière chez nous une balançoire pour enfants, environ à un mille d'une route à grande circulation. M'y balançant oisivement un matin, je pouvais entendre un grondement s'élever et retomber avec chaque oscillation. Naturellement, c'était l'effet Doppler ! Le grondement venait du trafic de la route, dont beaucoup de bruits sont à des fréquences très basses pour l'oreille humaine. L'oscillation vers la route élevait efficacement la fréquence, rendant les sons plus audibles. L'oscillation en s'éloignant de la route abaissait la fréquence et réduisait l'audibilité.

Lumière

   Doppler avait également prévu l'effet correspondant pour la lumière. La nature de la lumière n'était pas encore assimilée, mais les observations avec des fentes et des couches minces et étroites, puis ultérieurement avec des réseaux de diffraction, suggéraient sa nature ondulatoire. Doppler avança que son raisonnement lui était aussi applicable. La longueur d'onde de la lumière est liée à sa couleur spectrale : le rouge possède les plus grandes ondes et le violet les plus courtes. Au delà de ces limites il y a naturellement des ondes similaires, mais l'il humain ne peut simplement pas les détecter.

   La nature de ces " ondes électromagnétiques " est discutée ailleurs. Disons simplement que la prévision de Doppler était exacte, et que son effet est utilisé de multiples façons --par exemple, dans le radar "pistolet" dont se sert la police pour surveiller la vitesse des voitures.

   Il est possible de détecter l'effet Doppler par la longueur d'onde λ ou la fréquence ν, selon le détecteur, mais c'est bien sur le même effet qui est mesuré. Pour la lumière, qui se propage dans l'espace vide à la vitesse c, les deux facteurs sont reliés par

ν  =  c / λ


Une relation précédente donne la fréquence réellement observée

ν'  =  ν c / (c–v)  =  [c / (c–v)] (1/λ)

ou puisque ν' = 1/λ' avec
λ' la longueur d'onde perçue :
       λ'  =  [(c–v) / c] λ


   Puisque la vitesse v de la plupart des objets est beaucoup plus petite que c, le rapport est habituellement minuscule, de sorte que détecter l'effet demande une grande sensibilité aux variations de λ ou ν. Les instruments capables de détecter ces minuscules variations en lumière visible ont été développés vers la fin du 1800s et se sont avérés particulièrement utiles pour observer les décalages de fréquence des étoiles doubles ("binaires"). Celles-ci tournent autour d'un centre de gravité commun, de sorte que lorsqu'un composant s'approche, l'autre s'éloigne. La méthode fonctionne beaucoup mieux quand les deux étoiles sont très proches : le télescope ne peut alors les séparer, mais l'effet Doppler est important, puisque la vitesse orbitale est d'autant plus grande que les distances sont rapprochées.

   L'étalement de la lumière par effet Doppler est un effet corrélatif. Les fréquences caractéristiques ou "lignes spectrales" des émissions des atomes sont habituellement de longueurs d'onde très précises--mais si le rayonnement provient d'un gaz chaud, la gamme des longueurs d'onde s'élargit, puisque les atomes émetteurs sont constamment en mouvement. Certains se dirigent vers l'observateur, avec un décalage vers des longueurs d'onde plus courtes, par effet Doppler; d'autres émettent alors qu'ils s'éloignent, avec l'effet opposé. Finalement, la longueur d'onde (=couleur) est moins bien définie, et cette perte de définition peut renseigner sur la température dans la région d'émission (bien qu'il y ait d'autres effets d'étalement).

Extension de l'univers

   Mais le plus célèbre effet Doppler avec la lumière est sans doute celui qui est observé avec les galaxies lointaines. Jusqu'en 1925 on était persuadé que les diverses " nébuleuses " diffuses vues au télescope se situaient dans la voie lactée, sous forme de nuages de poussière et de gaz de divers types. Mais cette année là , Edwin Hubble annonça la découverte d'étoiles variables dans ces nébuleuses, ce qui suggérait que si certaines étaient bien " locales, " de nombreuses étaient situées dans de lointaines" univers-'îles " semblables à notre propre galaxie mais à d'énormes distances.

   Ceci a conduit à une autre découverte fondamentale. Les astronomes avaient précédemment remarqué que ces nébuleuses émettaient des lignes spectrales de longueur d'onde non identifiée. Il s'est avéré qu'il s'agissait en fait des longueurs d'onde d'émission habituelles, mais tout à fait décalées par l'effet Doppler - parce que leurs sources s'éloignaient de nous, à des vitesses représentant une fraction appréciable de c. En fait, ce " glissement vers le rouge " semblait omniprésent, dans toutes les directions, en augmentant avec la distance apparente. Cela semblait vouloir dire que toutes les galaxies distantes s'éloignent de nous-et que plus elles sont éloignées, plus rapide est leur fuite.

   Sauf si on admet que la terre est le centre de l'univers-ce que les astronomes ont cessé de croire depuis longtemps--cela signifiait que les galaxies s'écartent par rapport à elles mêmes dans toutes les directions, et qu'un observateur observerait le même effet où qu'il soit situé , avec une vitesse de récession augmentant avec la distance. Ce comportement est impossible dans l'espace à trois dimensions classique et signifie que notre espace à trois dimensions est courbe,comme si il était inclut dans 4 dimensions. D'une façon similaire, à la surface (à deux dimensions) d'un ballon qui se gonfle, les points observés depuis notre espace à trois dimensions, s'écartent constamment entre eux.

   Puisque l'espace est en expansion, nous pouvons nous tourner vers " antérieurement "(de diverses manières), au commencement de l'expansion--lorsque la "taille du ballon" était nulle. Les observations montrent que c'était il y a environ 13.7 milliards d'années. Ce fut le "Big Bang" (expression de Fred Hoyle). Nous ne pouvons pas voir la lumière d'il y a 13.7 milliards d'années, qui pourrait nous indiquer à quoi ressemblait cette " naissance ", car l'univers primitif était alors dense et non transparent (quoique la théorie soit très avancée à ce sujet). Nous pouvons voir au mieux le rayonnement apparu environ 300.000 ans après, quand il a commencé à devenir transparent. C'est le rayonnement "fossile", qui est maintenant décalé dans la gamme des micro-ondes (parce que sa distance est tellement grande qu'elle engendre une énorme vitesse de récession). Jusqu'ici, toutes les observations ont été conformes au scénario du "BigBang".

   Les astronomes sont éminemment intéressés par les détails de l'expansion. Un de leurs outils a été le télescope spatial Hubble. Assez vite après sa mise en service, il a transmis une image de "champ profond ", qui a révélé des objets beaucoup plus faibles (et plus éloignés) qu'antérieurement, la plupart étant des galaxies. Cette image a été obtenue par un temps de pose de 10 jours.. Une image ultérieure de"champ ultra profond ", exposée pendant 3 mois donne bien plus de détails.

   Que dire de l'énergie de l'univers ? Au début, le " véritable rayonnement fossile " a progressivement augmenté pour occuper un volume de plus en plus important, et, en conséquence, sa chaleur a primé sur l'attraction gravitationnelle des composants de l'univers. Cette énergie calorifique initiale est-elle suffisante pour conserver indéfiniment l'extension de l'univers? Sinon, comme certains l'ont avancé, peut-il venir un moment où l'expansion s'arrêtera, lorsque la pesanteur reprendra le pas, agrégeant à nouveau toute la masse (et l'espace) ?. L'univers finirait alors en un "Big Crunch," une phénomène en miroir du Big Bang, avec toute la masse à nouveau éffondrée en un infime volume.

   Personne ne peut prévoir le futur, mais on peut, pour se guider, se référer au passé : Y a t-il eu ralentissement du taux de l'expansion, ou celui-ci s'est-il lentement développé ? Les astronomes peuvent observer des galaxies à des distances de l'ordre de 2.4.6 ou 8 milliards d'années-lumière, en tenant compte du glissement Doppler, ce qui a permis de conclure que le taux d'expansion (" la constante de Hubble ") est toujours restée identique à aujourd'hui. Mais ils peuvent aussi contrôler leur distance réelle, par l'observation en leur sein de "supernovas de type 1" qui émettent toujours à peu près la même quantité de lumière (après corrections ). En observant la luminosité de ces supernovas telles qu'elles nous apparaissent maintenant, les astronomes peuvent calculer leur distance réelle.

   Le résultat a été inattendu : non seulement le taux d'expansion ne ralentit pas, il accélère. En d'autres termes, l'énergie de l'univers, loin d'être contrecarrée par la pesanteur, ne cesse d'augmenter. Les astronomes désignent cette addition par l' "énergie noire" ce qui signifie qu'elle n'est rapportable à aucun processus connu de l'univers. Cela reste toujours incompréhensible.

   Il faut savoir que la compréhension de cette expansion, comme celle du Big bang lui-même, passe par la connaissance de la relativité générale ( dénomination donnée par Einstein à la théorie de l'attraction universelle), et par celle de l'apparente " planéité de l'univers. " Pour plus de renseignements, voir "The Origins of the Future" de John Gribbin, Yale University Press, 2006.

  
Questions des lecteurs :
     ***     Le Big Bang
          ***     Les raies d'absorption subissent-elles un effet Doppler ?
                            (L'article correspondant a été écrit avant cette section
                                    et peut être lu comme en étant un bref résumé)
                ***       Désarroi au sujet du Big Bang
                      ***     Le Big Bang
                          ***     Effet Doppler depuis le Big Bang

Prochaine étape ,

              (S-4A-3) Galaxies en rotation et matière sombre
    où, aussi
              (S-5) Ondes et Photons

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Auteur et conservateur :   Dr. David P. Stern
     Mail au Dr.Stern:   stargaze("at" symbol)phy6.org .
Traduction : Dr Guy Batteur ---- mail : guybatteur("at" symbol)wanadoo.fr

Dernière mise à jour : 9 Décembre 2006


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Curators: Robert Candey, Alex Young, Tamara Kovalick

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