Notes sur le développement de l'astronomie: l''effet Doppler, Notes de Astronomie
Caroline_lez
Caroline_lez9 January 2014

Notes sur le développement de l'astronomie: l''effet Doppler, Notes de Astronomie

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Notes d'astronomie sur le développement de l'astronomie: l''effet Doppler. Les principaux thèmes abordés sont les suivants: Effet Doppler et mesure de vitesse, D'autres mesures possibles.
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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 : 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.

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