On ne pouvait pas faire un dossier sur la lumière sans parler des étoiles ! En effet, la principale source lumineuse que nous possédons provient de ces astres. Mais saviez-vous que, selon la couleur renvoyée, nous pouvions calculer sa distance ? C’est ce que l’on appelle le blueshift et le redshift. Alma Mater vous propose de plonger dans ce phénomène astronomique pour y voir plus clair.
Les étoiles, des machines qui produisent de la lumière
Avant même de comprendre ce phénomène, il serait intéressant de s’intéresser au processus de fabrication de la lumière, qui est composée de particules appelées « photons » ! Au cœur des étoiles, la chaleur atteint une température de l’ordre de la centaine de millions de degrés Celsius et favorise une réaction physique : la fusion nucléaire. En effet, on y retrouve des atomes d’hydrogène, le plus simple élément chimique du tableau périodique, composé d’un proton, d’un neutron, et d’un électron. Lorsque quatre atomes d’hydrogène entrent en contact et fusionnent ensemble, on obtient un atome d’hélium, possédant deux protons et deux neutrons. Le reste est transformé en énergie lumineuse. À cause de la densité de l’étoile, il faut des millions d’années pour que cette énergie traverse tout l’astre. Une fois à l’extérieur de l’étoile, la lumière va se propager à une vitesse de 3,00.108 m/s dans tout l’Univers. On peut ainsi calculer la distance d’une étoile par rapport à nous ou à d’autres astres !
Le blueshift et le redshift
Lorsqu’une étoile se rapproche de nous, la lumière qu’elle renvoie a tendance à tendre de plus en plus vers le bleu. C’est ce qu’on appelle le blueshift. Il est la conséquence de l’effet Doppler. Qu’est-ce que c’est que ce truc, me diriez-vous ? De façon imagée, imaginez une ambulance et le bruit qu’elle fait pour alerter les gens de son passage. Imaginez qu’elle se rapproche de vous. Le son qui sort de sa sonnerie devient de plus en plus fort et aigu. Et bien l’effet Doppler, c’est ça. C’est le décalage de fréquence d’une onde observé entre les mesures à l’émission et à la réception, lorsque la distance entre l’émetteur et le récepteur varie au cours du temps. Si on applique ça à nos étoiles, chaque photon émis semblera un peu plus proche du précédent qu’il ne l’est réellement. Cela augmentera la fréquence et diminuera la longueur d’onde. Selon le spectre chromatique visible par l’œil humain, la couleur bleue est associée à une longueur d’onde très petite et très resserrée. Ainsi, le rayonnement nous apparaîtra bleu. Cet effet peut nous permettre de calculer la vitesse de l’objet céleste et de connaître s’il s’avance vers nous ou pas.
Pour le redshift, c’est le phénomène inverse ! Certes, cela se base toujours sur l’effet Doppler. Cependant, au lieu de se rapprocher et d’émettre une lumière qui nous apparaît bleue, l’étoile s’éloignera de nous. Sa fréquence diminue et sa longueur d’onde augmente. Toujours selon le spectre chromatique visible par l’œil humain, plus une longueur d’onde devient grande, plus la couleur se décale vers le rouge. Ainsi, son rayonnement apparaît rouge.
Observer ces changements de couleur : les outils faits pour
C’est bien joli tout ça mais comment observer ces phénomènes, me demandez-vous ? C’est vrai, à l’œil nu, la seule chose que nous voyons sont des points blancs dans la nuit. Le blueshift et le redshift peuvent être observés par des spectromètres ou des spectrographes. Ces instruments produisent des spectres qui émettent des raies d’émission. Ce charabia signifie que ces instruments produisent une bande noire où l’on observe des traits, des raies, à partir de la lumière de l’étoile considérée. Si leur couleur tend vers le bleu, alors il s’agit du blueshift et, si l’on voit du rouge, alors on a à faire au redshift.
Utilisation astronomique
Connaître le mouvement des étoiles par rapport à nous est particulièrement intéressant. Cela a permis de déterminer la forme spiralée de notre galaxie mais également de trouver le mouvement des galaxies les unes par rapport aux autres. Par exemple, on sait que la galaxie la plus proche de nous, Andromède, se rapproche de nous. Plus généralement, cela nous a permis de comprendre que les galaxies s’éloignaient les unes des autres : l’Univers est en expansion. Plus surprenant encore, on a pu déterminer que cette expansion était plus rapide que par le passé ! Et cela serait dû à l’énergie noire…
Lucie Bricka
Sources :
https://fr.wikipedia.org/wiki/Effet_Doppler
Illustration : ©Pixabay