Développement de l'astronomie : L'effet Doppler



Les applications de l'analyse spectrale ne se résument pas à la détermination de la température et de la composition chimique. Une autre information importante est la vitesse du corps observé.

Effet Doppler et mesure de vitesse

Imaginez que vous observiez un objet qui émet des bips sonores séparés par un intervalle de temps constant - cet intervalle s'appelle la période. Lorsque l'objet est immobile, vous entendez les bips les uns après les autres, toujours séparés par le même intervalle de temps. Mais imaginez maintenant que l'objet se rapproche de vous, à une vitesse non négligeable devant celle du son. La transmission du bip depuis l'objet jusqu'à notre oreille ne peut pas être considérée comme instantanée et il faut tenir compte du temps nécessaire à la propagation du son.

Effet Doppler
Effet Doppler : du fait de la propagation du son, la fréquence apparente de l'objet central dépend de sa vitesse et de la position de l'observateur. Crédit : O. Esslinger

Si le premier bip est produit à une position donnée, le deuxième est émis à une distance moindre. Le temps de transmission du premier bip est donc plus grand que celui du deuxième. Pour notre oreille, l'intervalle de temps entre les deux bips n'est plus égal à la période réelle du signal car le deuxième bip avait une distance moindre à parcourir et est donc arrivé plus tôt. Ainsi, si l'objet se rapproche de nous, la période apparente du son est plus petite que la période réelle. Inversement, si l'objet s'éloigne, la période apparente est plus grande que la période réelle.

Ce phénomène est appelé effet Doppler, du nom du physicien qui le découvrit. Dans le cas des ondes sonores, sa conséquence bien connue est le changement de son d'une sirène d'ambulance qui passe rapidement devant nous. Lorsque la sirène se rapproche, la période du son diminue et celui-ci devient plus aigu, mais lorsqu'elle s'éloigne, la période s'allonge et le son devient plus grave.

L'effet Doppler se produit également pour les ondes lumineuses. Ainsi, lorsqu'une source se rapproche de nous, la longueur d'onde apparente de son rayonnement diminue, sa lumière se déplace vers la partie bleue du spectre visible et l'on parle d'un décalage vers le bleu. Inversement, si la source s'éloigne, la longueur d'onde augmente et la lumière est décalée vers le rouge. Comme le décalage en longueur d'onde est directement relié à la vitesse de l'objet, l'une des grandeurs permet de déterminer l'autre. Par exemple, si l'on veut connaître la vitesse relative d'une étoile de type solaire, il suffit de prendre un spectre de l'étoile, de comparer celui-ci à un spectre du Soleil, de mesurer le décalage entre les deux, et d'en déduire immédiatement la vitesse recherchée.

L'utilisation de cette méthode de mesure des vitesses est très répandue dans tous les domaines de l'astronomie. On l'utilise par exemple pour déterminer la vitesse de déplacement et la vitesse de rotation d'autres étoiles, la vitesse d'éjection des gaz par certains corps en formation, ainsi que la vitesse des galaxies les plus lointaines. Remarquons néanmoins que cette méthode ne fournit que la vitesse de l'objet le long de notre ligne de visée. En effet, une éventuelle vitesse perpendiculaire à cette ligne ne donne pas lieu à l'effet Doppler et passe donc inaperçue dans le spectre.

D'autres mesures possibles

Pour finir, ajoutons que l'analyse spectrale apporte encore beaucoup d'autres informations. Ainsi, la hauteur relative des raies d'un gaz nous indique le degré d'ionisation de ses constituants, la forme des raies nous renseigne sur la pression, le champ électrique et la turbulence dans le gaz, et un déplacement particulier des raies, appelé l'effet Zeeman, peut nous fournir le champ magnétique. Enfin, les spectres de certains objets ont des formes très particulières, faciles à identifier, qui nous indiquent la nature des processus physiques en jeu. C'est par exemple le cas du rayonnement synchrotron, produit par des électrons très énergétiques se déplaçant dans un champ magnétique, et qui donne lieu à un spectre continu mais différent de celui d'un corps noir.

On peut le constater, l'analyse spectrale est un outil extrêmement efficace. A partir d'un simple rayon lumineux, on peut remonter à un impressionnant nombre d'informations sur les conditions régnant dans un objet céleste et les phénomènes physiques qui s'y produisent. C'est grâce à cet outil fantastique que l'astronomie comme on la connaissait il y a un peu plus siècle, c'est-à-dire la simple étude de la position et du mouvement des planètes, est devenue l'astrophysique, l'étude de la nature physique des corps célestes et des processus qui les affectent.



Auteur : Olivier Esslinger

Source : www.astronomes.com/index.html