décalage spectral - astronomie.

décalage spectral - astronomie. 1 PRÉSENTATION décalage spectral, glissement relatif observé dans le rayonnement spectral d'un objet astronomique (étoile, galaxie, jet de matière, etc.) vers des longueurs d'onde plus grandes (décalage vers le rouge) ou plus courtes (décalage vers le bleu), signifiant que le référentiel auquel est lié l'objet observé n'est pas au repos par rapport à l'observateur. En notant ?0 la longueur d'onde dans un référentiel considéré au repos (celui relié à la Terre par exemple) et ? la longueur d'onde dans le référentiel de l'objet astronomique observé, le décalage spectral (z) est défini par la formule : z = (? - ?0)/?0 2 ORIGINE DES DÉCALAGES SPECTRAUX 2.1 Effet Doppler-Fizeau et expansion de l'Univers Plusieurs phénomènes peuvent être à l'origine de décalages spectraux en astronomie. L'effet Doppler-Fizeau témoigne d'un mouvement relatif entre l'objet émetteur et l'observateur. Le décalage spectral est alors proportionnel à la vitesse relative (ou vitesse particulière) de l'objet en mouvement, projetée le long de la ligne de visée (vitesse radiale v) : z = (? - ?0)/?0 = v/coù c est la vitesse de la lumière (environ 300 000 km/s) et v est très inférieure à c. Le spectre de l'objet est décalé vers le bleu s'il se rapproche de la Terre ou bien vers le rouge s'il s'en éloigne. L'expansion globale de l'Univers, en dilatant toutes les échelles de longueur, affecte également le spectre des objets astronomiques, notamment les galaxies lointaines, ce qui produit un décalage spectral vers le rouge. C'est l'astronome américain Vesto Melvin Slipher (1875-1969) qui, en étudiant systématiquement le spectre des galaxies en 1912, est le premier à remarquer ce phénomène général de décalage vers les plus grandes longueurs d'onde (décalage vers le rouge) de la plupart des spectres des galaxies ; ce phénomène signifie que toutes les galaxies tendent à s'éloigner les unes des autres, et en particulier de la Voie lactée. En 1929, Edwin Hubble interprète ces observations comme la signature d'une expansion globale de l'Univers ; il montre de plus que la vitesse d'éloignement d'une galaxie (ve) est proportionnelle à sa distance à la Terre (d) : ve = H × dCette relation est connue sous le nom de la loi de Hubble (H étant une constante de proportionnalité appelée constante de Hubble). Les galaxies s'éloignent donc d'autant plus vite les unes des autres qu'elles sont distantes de nous ; pour les plus lointaines, c'est-à-dire les galaxies les plus anciennes, cette vitesse d'expansion approche la vitesse de la lumière. 2.2 Effets gravitationnels Par ailleurs, la relativité générale, en décrivant les effets de la gravitation sur l'espace-temps, permet de prévoir un décalage spectral gravitationnel vers le rouge du rayonnement émis par les objets extrêmement massifs. En effet, les photons perdent de l'énergie afin de s'extraire du puits de potentiel, et ce d'autant plus que le champ gravitationnel est important. Ce décalage spectral gravitationnel, dénommé également décalage d'Einstein, s'exprime par la formule : ? = ?0 (1 - (2GM/Rc2))où ? et ?0 sont les longueurs d'onde précitées, G est la constante universelle de la gravitation, M la masse de l'objet astronomique, R la distance à laquelle se propage le photon et c la vitesse de la lumière. Un autre effet gravitationnel, dit effet Shapiro, induit également des décalages spectraux lorsqu'un rayonnement passe à proximité d'un objet massif : le rayonnement subit alors un décalage spectral vers le bleu ; lorsqu'il s'en éloigne, il subit un décalage spectral vers le rouge. 3 IMPORTANCE RELATIVE DES EFFETS INDUISANT LES DÉCALAGES SPECTRAUX En général, le décalage spectral d'un objet astronomique résulte de la combinaison de tous ces effets physiques. Cependant, lorsque les objets sont proches de la Terre et loin de tout objet compact (trou noir, étoile à neutrons...), l'effet Doppler-Fizeau prédomine, puisque l'importance des mouvements relatifs outrepasse les autres effets. En revanche, lorsque la distance de l'objet étudié devient importante (cas des quasars notamment), l'effet cosmologique domine avec l'expansion de l'Univers. Enfin, le décalage gravitationnel est généralement négligeable devant les deux premiers, sauf circonstances particulières. Microsoft ® Encarta ® 2009. © 1993-2008 Microsoft Corporation. Tous droits réservés.