Redshift et blueshift

Comment étudier les mouvements des étoiles et des galaxies situées à des milliards de milliards de km? Comment étudier l'expansion de notre Univers? C'est la tâche ambitieuse et merveilleuse des astrophysiciens. Pour ce faire, ils observent les étoiles au spectroscope et analysent leur spectre. Nous allons voir que c'est le décalage de leur spectre vers le rouge (le redshift) ou le bleu (le blueshift) qui permet de suivre les mouvements des étoiles.

L'effet Doppler-Fizeau

Lorsqu'une source sonore (sirène d'une ambulance, sifflement  d'une locomotive) se rapproche, le son qu'elle émet devient de plus en plus aigu. Lorsqu'elle s'éloigne, vous remarquez que le son devient de plus en plus grave.
Il en est de même si l'on remplace la source sonore par une source lumineuse provenant d'une étoile  d'une galaxie lointaine, qui se rapproche ou s'éloigne.
C'est ce qu'on appelle l'effet Doppler-Fizeau du nom des découvreurs, chacun de leur côté:
          Doppler mathématicien et physicien autrichien (1803-1853)
          Fizeau physicien et astronome (1819-1896)

Redshift et blueshift

Lorsqu'une étoile s'éloigne la longueur d'onde (distance de deux crêtes consécutives) de chaque radiation émise s'allonge.

Lorsqu'une étoile se rapproche, la longueur d'onde se raccourcit.

Un spectre non décalé, un redshift et un blueshift

Il en résulte que lorsque l'étoile s'éloigne le spectre de toutes les radiations de la lumière émise est décalé vers le rouge: c'est le redshift.
Lorsque l'étoile se rapproche ce spectre est décalé vers le bleu: c'est le blueshift.

Vitesse de fuite d'une étoile

Lorsqu'une étoile s'éloigne, la vitesse de fuite est la vitesse à laquelle elle  s'éloigne d'un observateur.  Si, par exemple, dans la figure ci-dessus, la raie non décalée de longueur d'onde  0,6968 micromètres (un micromètre est un millième de millimètre) est décalée vers le rouge, sa nouvelle longueur d'onde dans le redshift étant  0,6972 micromètres, on démontre que la vitesse de fuite de l'étoile est:

v= c x (0,6972-0,6968) / 0,6968 , c étant la vitesse de la lumière, soit 300 000km/s.
On trouve v= 172 km/s.

L'expansion de l'Univers

"On peut imaginer que l'Univers en entier est un ballon.Vous soufflez dedans et il grossit. Si vous faites des petits points sur le ballon avec un crayon pour représenter les galaxies, ils s'éloigneront à mesure que le ballon gonfle. L'expansion de l'Univers, c'est un peu ça".

Albert Einstein

Cette réflexion d'Einstein montre bien l'expansion de l'Univers, à l'image d'un ballon qui gonfle, gonfle indéfiniment. Mais nous pouvons préciser cette prédiction d' Einstein, on remarque que plus l'étoile est loin, plus sa vitesse de fuite est grande et plus le décalage vers le rouge est grand.

Plus précisément encore, l'astronome américain Hubble (1889-1953) remarqua que la vitesse de fuite v était proportionnelle à la distance d  de l'étoile. C'est la loi de Hubble:
             
              v = H_o d ,   H_o étant la constante de Hubble.

L'expansion de l'Univers s'accélère

En 1998 deux équipes internationales, de manière indépendante, annoncèrent que l'expansion de l'Univers était en pleine accélération, en s'appuyant sur l'observation de supernovae (explosions d'étoiles). Ces supernovae se révélèrent moins lumineuses et plus éloignées que ce que l'on pouvait déduire de leur décalage vers le rouge.. Ces résultats furent confirmés par la suite et les deux équipes eurent le prix Nobel de Physique en 2011.

Cette accélération  peut s'expliquer par la présence d'une énergie répulsive qui éloigne les galaxies les unes des autres. Cette énergie hypothétique et mystérieuse est appelée énergie sombre (ou noire). 

Certaines galaxies se rapprochent

Lorsque des galaxies sont relativement proches les unes des autres, c'est la gravitation qui l'emporte et ces galaxies s'attirent, se rapprochent. Par exemple la galaxie d'Andromède se rapproche de notre galaxie, on peut voir alors un blueshift (décalage ves le bleu) de ses étoiles.

La galaxie d'Andromède fonce dans la direction de la voie lactée (notre galaxie) à la vitesse sidérante de 400 000 km/h. La fusion de ces deux galaxies se fera dans 4 milliards d'années environ! Ce n'est pas une blague ni de la science-fiction, mais des prévisions d'Astrophysiciens!

Les exoplanètes

Le ballet des étoiles et de leurs galaxies ne s'arrête pas là!
Pour certaines étoiles de notre propre galaxie on a pu observer un  blueshift ou un redshift périodiquement. L' étoile subit des oscillations dues à la présence d'une planète tournant autour d'elle. Cette planète (analogue à une planète du système solaire) s'appelle une exoplanète. On en a découvert plus de 1700.

Et l'on cherche si l'une de ces exoplanètes ressemblerait à la Terre et contiendrait une forme de vie!....