Avez-vous déjà remarqué que le son d’un klaxon de voiture a une tonalité différente lorsqu’il se rapproche ou s’éloigne de vous ?
Table des matières
Klaxon de train
La différence de fréquence entre le klaxon ou la sirène d’un train ou d’une voiture qui s’éloigne et qui s’approche est peut-être l’exemple le plus évident et le plus courant de l’effet Doppler. Découvert théoriquement par le physicien autrichien Christian Doppler, cet effet jouera plus tard un rôle clé dans la science et la technologie.
Pour un observateur, la longueur d’onde d’un rayonnement aura une valeur différente selon la vitesse de la source par rapport à l’observateur. Plus la source se rapproche, plus la longueur d’onde diminue, tandis que plus elle s’éloigne, plus la longueur d’onde augmente. Par conséquent, la fréquence varie en fonction de la longueur d’onde. Par conséquent, la fréquence du klaxon du train qui s’approche est sensiblement plus élevée que la fréquence du klaxon lorsqu’il est éloigné. C’est en fait l’essence même de l’effet Doppler.
L’effet Doppler est à la base de nombreux instruments de mesure et de recherche. Aujourd’hui, il est largement utilisé en médecine, en aviation, en astronautique et même dans la vie de tous les jours. Les radars routiers et de navigation par satellite, les appareils à ultrasons et les alarmes de sécurité fonctionnent grâce à l’effet Doppler. L’effet Doppler est largement utilisé dans la recherche scientifique. C’est probablement en astronomie qu’il est le mieux connu.
Explication de l’effet
Documentation sur le sujet
Pour comprendre la nature de l’effet Doppler, il suffit d’observer la surface de l’eau. Des cercles sur l’eau illustrent parfaitement les trois composantes d’une onde. Imaginons qu’un flotteur stationnaire crée des cercles. Dans ce cas, la période correspondra au temps écoulé entre l’émission d’un cercle et celle du suivant. La fréquence est égale au nombre de cercles émis par le flotteur dans un certain laps de temps. La longueur d’onde sera égale à la différence entre les rayons de deux cercles émis consécutivement (la distance entre deux crêtes voisines).
Imaginons qu’un bateau s’approche de ce flotteur stationnaire. En se rapprochant des crêtes, la vitesse du bateau s’ajoutera à la vitesse de propagation des cercles. Par conséquent, par rapport au bateau, la vitesse des crêtes qui arrivent augmentera. La longueur de la vague diminuera en même temps. Par conséquent, le temps qui s’écoulera entre deux cercles voisins frappant le côté du bateau diminuera. En d’autres termes, la période diminuera et la fréquence augmentera. De même, pour le bateau qui recule, la vitesse des crêtes qui vont maintenant le rattraper va diminuer et la longueur d’onde va augmenter. Ce qui signifie une augmentation de la période et une diminution de la fréquence.
Imaginons maintenant que le flotteur soit placé entre deux bateaux stationnaires. Un pêcheur sur l’un d’eux tire le flotteur vers lui. Prenant de la vitesse par rapport à la surface de l’eau, le flotteur continue à émettre exactement les mêmes cercles. Cependant, le centre de chaque cercle suivant sera déplacé par rapport au centre du cercle précédent dans la direction du bateau vers lequel le flotteur se rapproche. Par conséquent, du côté de ce bateau, la distance entre les crêtes sera réduite. Il s’avère que jusqu’au bateau du pêcheur qui tire le flotteur viendront des cercles avec une longueur d’onde réduite, et donc avec une période réduite et une fréquence augmentée. De même, les vagues dont la longueur et la période sont augmentées et la fréquence diminuée atteindront l’autre pêcheur.
Étoiles de différentes couleurs
Spectres de différentes étoiles
Christian Doppler a déjà remarqué de tels changements de caractéristiques des ondes à la surface de l’eau. Il a décrit chaque cas mathématiquement et a appliqué les données au son et à la lumière, qui ont également une nature ondulatoire. Doppler a émis l’hypothèse que la couleur des étoiles était directement liée à la vitesse à laquelle elles s’approchaient ou s’éloignaient de nous. Il a présenté cette hypothèse dans un article qu’il a présenté en 1842.
Notez que Doppler s’est trompé sur la couleur des étoiles. Il pensait que toutes les étoiles émettaient une couleur blanche, qui était ensuite déformée en raison de leur vitesse par rapport à l’observateur. En fait, l’effet Doppler n’affecte pas la couleur des étoiles, mais la structure de leur spectre. Dans les étoiles qui s’éloignent de nous, toutes les lignes sombres du spectre augmentent en longueur d’onde et se déplacent vers le rouge. Cet effet est connu en science sous le nom de décalage vers le rouge. En revanche, pour les étoiles qui s’approchent, les lignes tendent vers la partie du spectre à plus haute fréquence — la couleur violette.
Cette caractéristique des raies spectrales, basée sur les formules de Doppler, a été prédite théoriquement en 1848 par le physicien français Armand Fiso. Elle a été confirmée expérimentalement en 1868 par William Huggins, qui a apporté une grande contribution à l’étude spectrale de l’espace. Au 20e siècle déjà, l’effet Doppler pour les raies du spectre sera appelé «décalage vers le rouge», sur lequel nous reviendrons.
Concert sur les rails
L’effet Doppler dans une expérience ferroviaire
En 1845, le météorologue néerlandais Beuys-Ballot, puis Doppler lui-même, ont mené une série d’expériences pour tester l’effet Doppler «sonore». Dans les deux cas, ils ont utilisé l’effet précédemment convenu du klaxon d’un train qui s’approche et qui recule. Le rôle du klaxon était joué par des groupes de trompettistes qui jouaient une note particulière alors qu’ils se trouvaient dans le wagon ouvert d’un train en marche.
Beuys-Ballot a laissé les trompettistes passer devant des personnes ayant une bonne ouïe, qui ont enregistré le changement de note à différentes vitesses du train. Il a ensuite répété l’expérience en plaçant les trompettistes sur le quai et les auditeurs dans le wagon. Doppler, quant à lui, a enregistré la dissonance des notes de deux groupes de trompettistes qui s’approchaient et s’éloignaient de lui en même temps, en jouant la même note.
Dans les deux cas, l’effet Doppler pour les ondes sonores a été confirmé avec succès. En outre, chacun d’entre nous peut réaliser cette expérience dans sa vie quotidienne et la confirmer par lui-même. Ainsi, bien que l’effet Doppler ait été critiqué par ses contemporains, les recherches ultérieures l’ont rendu indéniable.
Décalage vers le rouge
Comme indiqué précédemment, l’effet Doppler est utilisé pour déterminer la vitesse des objets spatiaux par rapport à un observateur.
Les lignes sombres du spectre des objets cosmiques sont initialement toujours situées à un endroit strictement fixe. Cet endroit correspond à la longueur d’onde d’absorption d’un élément particulier. Dans l’objet qui s’approche ou s’éloigne, toutes les bandes changent de position dans la région violette ou rouge du spectre, respectivement. En comparant les raies spectrales des éléments chimiques de la Terre avec les raies similaires des spectres des étoiles, il est possible d’estimer à quelle vitesse l’objet s’approche ou s’éloigne de nous.
Le décalage vers le rouge des spectres de galaxies a été découvert par l’astronome américain Vesto Slifer en 1914. Son compatriote Edwin Hubble a comparé les distances des galaxies qu’il avait découvertes avec l’ampleur de leur décalage vers le rouge. En 1929, il est arrivé à la conclusion que plus une galaxie est éloignée, plus elle s’éloigne rapidement de nous. Par la suite, il s’est avéré que la loi qu’il avait découverte était plutôt inexacte et ne décrivait pas correctement la réalité. Cependant, Hubble a donné le ton à d’autres scientifiques qui allaient plus tard introduire le concept de décalage vers le rouge cosmologique.
Redshift cosmologique
Redshift cosmologique
Contrairement au décalage Doppler, qui résulte du mouvement intrinsèque des galaxies par rapport à nous, le décalage cosmologique résulte de l’expansion de l’espace. Comme nous le savons, l’Univers est en expansion uniforme dans tout son volume. Par conséquent, plus deux galaxies sont éloignées l’une de l’autre, plus les vitesses auxquelles elles se dispersent l’une par rapport à l’autre sont grandes. Ainsi, chaque mégaparsec qui sépare deux galaxies chaque seconde les éloigne d’environ 70 kilomètres. Cette valeur est appelée constante de Hubble. Il est intéressant de noter qu’à l’origine, Hubble lui-même estimait sa constante à 500 kilomètres par mégaparsec.
En effet, il n’a pas tenu compte du fait que le décalage vers le rouge d’une galaxie est composé de deux décalages vers le rouge différents. En plus d’être entraînées par l’expansion de l’Univers, les galaxies se déplacent elles-mêmes. Alors que le décalage vers le rouge relativiste présente la même distribution pour toutes les distances, le décalage vers le rouge Doppler présente les divergences les plus imprévisibles. En effet, le mouvement propre des galaxies au sein de leurs amas ne dépend que des influences gravitationnelles mutuelles.
Galaxies proches et lointaines
La galaxie d’Andromède ou M31
Entre galaxies proches, la constante de Hubble est difficilement applicable pour estimer les distances entre galaxies. Par exemple, la galaxie d’Andromède présente par rapport à nous un décalage violet total lorsqu’elle se rapproche de la Voie lactée à environ 150 kilomètres par seconde. Si on lui applique la loi de Hubble, elle devrait s’éloigner de notre galaxie à une vitesse de 50 km/s, ce qui ne correspond pas du tout à la réalité.
Pour les galaxies lointaines, le décalage Doppler est pratiquement insensible. La vitesse à laquelle elles s’éloignent de nous est une fonction directe de la distance et correspond, avec une petite erreur, à la constante de Hubble. Les quasars les plus éloignés s’éloignent donc de nous à une vitesse supérieure à celle de la lumière. Curieusement, cela ne contredit pas la théorie de la relativité, car il s’agit de la vitesse de l’espace en expansion, et non des objets eux-mêmes. Il est donc important de pouvoir distinguer le décalage Doppler du décalage cosmologique.
Il convient également de noter que dans le cas des ondes électromagnétiques, il existe des effets relativistes. La distorsion temporelle associée et le changement des dimensions linéaires lorsque le corps se déplace par rapport à l’observateur affectent également la nature de l’onde. Comme pour tous les effets relativistes.
L’effet Doppler en astronomie
Sans l’effet Doppler, qui a conduit à la découverte du décalage vers le rouge, nous ne connaîtrions pas la structure à grande échelle de l’Univers. Cependant, les astronomes ne doivent pas cette propriété des ondes uniquement à l’effet Doppler.
L’effet Doppler détecte de légères variations dans la position des étoiles qui peuvent créer des planètes en orbite autour d’elles. Il a permis de découvrir des centaines d’exoplanètes. Il est également utilisé pour confirmer la présence d’exoplanètes découvertes précédemment par d’autres méthodes.
Un système de naines brunes doubles
L’effet Doppler a joué un rôle crucial dans l’étude des systèmes stellaires proches. Lorsque deux étoiles sont si proches qu’elles ne peuvent être vues séparément, l’effet Doppler vient à la rescousse. Il nous permet de suivre le mouvement mutuel invisible des étoiles à travers leur spectre. De tels systèmes stellaires ont même été appelés «jumeaux optiques».
Grâce à l’effet Doppler, il est possible d’estimer non seulement la vitesse d’un objet spatial, mais aussi sa vitesse de rotation, son expansion, la vitesse de ses flux atmosphériques et bien d’autres choses encore. La vitesse des anneaux de Saturne, l’expansion des nébuleuses et les pulsations des étoiles sont mesurées grâce à cet effet. Il est même utilisé pour déterminer la température des étoiles, car la température est aussi une mesure du mouvement. On peut dire que presque tout ce qui concerne la vitesse des objets spatiaux est mesuré par les astronomes modernes grâce à l’effet Doppler.
Date de publication: 12-26-2023
Mettre à jour la date: 12-26-2023