Spectres d'émission et d'absorption
Comment le décalage vers le rouge montre que l'Univers est en expansion John P. Millis, Ph.D
Lorsque les astronomes lèvent les yeux vers le ciel nocturne, ils voient de la lumière. C'est une partie essentielle de l'Univers qui a parcouru de grandes distances. Cette lumière, officiellement appelée « rayonnement électromagnétique », contient un trésor d'informations sur l'objet d'où elle vient, allant de sa température à ses mouvements.
Les astronomes étudient la lumière grâce à une technique appelée « spectroscopie ». Elle leur permet de la disséquer jusqu'à ses longueurs d'onde pour créer ce qu'on appelle un « spectre ». Entre autres choses, ils peuvent dire si un astre s'éloigne de nous. Ils utilisent une propriété appelée « Redshift qui veut dire décalage vers le rouge » pour décrire le mouvement d'objets s'éloignant les uns des autres dans l'espace. Le décalage vers le rouge se produit lorsqu'un objet émettant un rayonnement électromagnétique s'éloigne d'un observateur. La lumière détectée apparaît « plus rouge » qu'elle ne devrait l'être car elle est décalée vers l'extrémité « rouge » du spectre. L'image en tête montre ce décalage qui apparaît par le décalage d'un spectre d'absorption.
Le décalage vers le rouge n'est pas quelque chose que tout le monde peut « voir ». C'est un effet que les astronomes mesurent dans la lumière en étudiant ses longueurs d'onde.
Comment fonctionne le décalage vers le rouge?
Un objet (généralement appelé « la source ») émet ou absorbe un rayonnement électromagnétique d'une longueur d'onde spécifique ou d'un ensemble de longueurs d'onde. La plupart des étoiles émettent une large gamme d'ondes de lumière, du visible à l'infrarouge, à l'ultraviolet, aux rayons X, etc. Lorsque la source s'éloigne de l'observateur, la longueur d'onde semble « s'étirer » ou augmenter.
Chaque pic de l'onde est émis plus loin du pic précédent à mesure que l'objet s'éloigne. De même, lorsque la longueur d'onde augmente (devient plus rouge), la fréquence, et donc l'énergie, diminue. Plus l'objet s'éloigne rapidement, plus son décalage vers le rouge est important.
Ce phénomène est dû à l'effet Doppler. Les gens sur Terre connaissent le décalage Doppler de manière assez pratique. Par exemple, certaines des applications les plus courantes de l'effet Doppler (à la fois le décalage vers le rouge et le décalage vers le bleu) sont les radars de police. Ils font rebondir les signaux sur un véhicule et la quantité de décalage vers le rouge ou vers le bleu indique à un agent à quelle vitesse il roule. Le radar météorologique Doppler indique aux prévisionnistes à quelle vitesse se déplace un système de tempête.
L'utilisation des techniques Doppler en astronomie suit les mêmes principes, mais au lieu de repérer les galaxies, les astronomes l'utilisent pour en savoir plus sur leurs mouvements. La façon dont les astronomes déterminent le décalage vers le rouge (et le décalage vers le bleu) consiste à utiliser un instrument appelé spectrographe (ou spectromètre) pour observer la lumière émise par un objet. De minuscules différences dans les lignes spectrales montrent un décalage vers le rouge (pour le décalage vers le rouge) ou le bleu (pour le décalage vers le bleu). Si les différences montrent un décalage vers le rouge, cela signifie que l'objet s'éloigne. Si elles sont bleues, alors l'objet se rapproche.
L'expansion de l'univers
Au début des années 1900, les astronomes pensaient que l'univers entier était enfermé dans notre propre galaxie, la Voie lactée. Cependant, les mesures effectuées sur d'autres galaxies, les galaxies qui étaient considérées comme de simples nébuleuses à l'intérieur de la nôtre, se sont révélées en réalité situées à l'extérieur de la Voie Lactée. Cette découverte a été faite par l'astronome Edwin P. Hubble, sur la base de mesures d'étoiles variables par une autre astronome nommée Henrietta Leavitt. De plus, des décalages vers le rouge (et dans certains cas des décalages vers le bleu) ont été mesurés pour ces galaxies, ainsi que leurs distances.
Hubble a fait la surprenante découverte que plus une galaxie est éloignée, plus son décalage vers le rouge nous apparaît grand. Cette corrélation est maintenant connue sous le nom de loi de Hubble. Elle aide les astronomes à définir l'expansion de l'univers. Elle montre également que plus les objets sont éloignés de nous, plus ils s'éloignent rapidement. (Cela est vrai au sens large, il existe des galaxies locales, par exemple, qui se déplacent vers nous en raison du mouvement de notre « Groupe local ».)
La plupart des objets de l'univers s'éloignent les uns des autres et ce mouvement peut être mesuré en analysant leurs décalages vers le rouge. Les astronomes peuvent utiliser le décalage vers le rouge pour déterminer le mouvement de la Voie lactée. Ils le font en mesurant le décalage Doppler des objets de notre galaxie. Cette information révèle comment d'autres étoiles et nébuleuses se déplacent par rapport à la Terre.
Ils peuvent également mesurer le mouvement de galaxies très éloignées, appelées « galaxies à décalage vers le rouge élevé ».
Il s'agit d'un domaine de l'astronomie en pleine expansion. Il ne se concentre pas seulement sur les galaxies, mais aussi sur d'autres objets, tels que les sources de sursauts gamma. Ces objets ont un décalage vers le rouge très élevé, ce qui signifie qu'ils s'éloignent de nous à des vitesses extrêmement élevées.
Les astronomes attribuent la lettre z au décalage vers le rouge. Cela explique pourquoi on raconte parfois qu'une galaxie a un décalage vers le rouge de z=1 ou quelque chose comme ça. Les premières époques de l'univers se situent à un z d'environ 100. Le décalage vers le rouge permet donc aux astronomes de comprendre à quelle distance se trouvent les astres en plus de la vitesse à laquelle elles se déplacent. L'étude des objets lointains donne également aux astronomes un aperçu de l'état de l'univers il y a environ 13,7 milliards d'années estimé comme étant l'âge de l'univers depuis le Big Bang . C'est à cette époque que l'histoire cosmique a commencé avec le Big Bang. L'univers semble non seulement être en expansion depuis cette époque, mais son expansion s'accélère également.
La source de cet effet est l'énergie noire, une partie de l'univers mal comprise. Les astronomes qui utilisent le décalage vers le rouge pour mesurer les (grandes) distances cosmologiques constatent que l'accélération n'a pas toujours été la même tout au long de l'histoire cosmique. La raison de ce changement n'est toujours pas connue et cet effet de l'énergie noire reste un domaine d'étude fascinant en cosmologie (l'étude de l'origine et de l'évolution de l'univers).
Édité par Carolyn Collins Petersen. source http://thoughtco.com