L'expansion de l'Univers par la spectroscopie
Comment décrire l'expansion de l'Univers ? De prime abord cela parait très compliqué, mais en y réfléchissant bien, par la méthode de l'analyse de la lumière : la spectroscopie, cela parait assez simple à faire comme expérience.
Tout d'abord qu'est ce que la lumière ? Bon c'est assez difficile à expliquer, pour faire simple il s'agit d'une onde électromagnétique composée de photons. Le site ci dessous en donne une définition claire :
http://www.sciencesaco.fr/?Qu-est-ce-que-la-lumiere
[C’est J. C. Maxwell qui a élucidé la nature des ondes lumineuses (A treatise on electricity and magnetism, 1873) et proposé une formulation mathématique permettant de prévoir l’évolution des ondes électromagnétique. Ces ondes combinent de façon indissociable un champ électrique à d’un champ magnétique. Tout deux oscillent en synchronisme, extrêmement rapidement ; les oscillations du champ électrique génèrent le champ magnétique de l’onde qui se propage et réciproquement : les oscillations du champ magnétique génèrent le champ électrique de l’onde.]
Tout d'abord qu'est ce que la lumière ? Bon c'est assez difficile à expliquer, pour faire simple il s'agit d'une onde électromagnétique composée de photons. Le site ci dessous en donne une définition claire :
http://www.sciencesaco.fr/?Qu-est-ce-que-la-lumiere
[C’est J. C. Maxwell qui a élucidé la nature des ondes lumineuses (A treatise on electricity and magnetism, 1873) et proposé une formulation mathématique permettant de prévoir l’évolution des ondes électromagnétique. Ces ondes combinent de façon indissociable un champ électrique à d’un champ magnétique. Tout deux oscillent en synchronisme, extrêmement rapidement ; les oscillations du champ électrique génèrent le champ magnétique de l’onde qui se propage et réciproquement : les oscillations du champ magnétique génèrent le champ électrique de l’onde.]
Qu'est ce qu'une onde ? C'est un phénomène de propagation ordonnée d'énergie sans transport de matière.
L'onde a une longueur, une fréquence et une amplitude.
L'onde a une longueur, une fréquence et une amplitude.
De la même façon que dans l'air on peut créer une onde sonore en perturbant mécaniquement le milieu, on crée une onde électromagnétique en secouant une charge électrique (un électron par exemple) dans le vide. C'est une onde lumineuse.
Ci-dessous l'étendue des ondes lumineuse ne se cantonne pas qu'au visible ! Les ondes couvrent un très grand champ allant des rayons gamma, longueurs d'ondes les plus courtes et les plus énergétiques, aux ondes radio, longueurs d'ondes plus grandes et moins énergétiques.
Ci-dessous l'étendue des ondes lumineuse ne se cantonne pas qu'au visible ! Les ondes couvrent un très grand champ allant des rayons gamma, longueurs d'ondes les plus courtes et les plus énergétiques, aux ondes radio, longueurs d'ondes plus grandes et moins énergétiques.
De même dans le visible les longueurs d'ondes ne sont pas les mêmes, il en découle les couleurs ! liées à leurs fréquences ou longueurs d'ondes :
- plus courtes/énergétiques dans le bleu
- plus grandes/moins énergétiques dans le rouge.
C'est le principe même de la spectroscopie que d’analyser l'intensité lumineuse selon la fréquence/longueurs d'ondes.
- plus courtes/énergétiques dans le bleu
- plus grandes/moins énergétiques dans le rouge.
C'est le principe même de la spectroscopie que d’analyser l'intensité lumineuse selon la fréquence/longueurs d'ondes.
Maintenant voyons un effet très important sur les ondes. Cet effet s’appelle l'effet "Doppler-Fizeau". Il consiste lorsque une source est à l’arrêt et qu'une autre est en mouvement par rapport à elle, à comprimer les ondes lorsque la source se rapproche et à dilater les ondes lorsque la source s'éloigne par rapport à la source statique.
Au niveau des "ondes sonores" c'est cet effet qui donne un "son" plus aigu aux ondes qui se rapprochent et un son plus graves lorsqu'elles s’éloignent : exemple un camion de pompier qui arrive et vous dépasse, une voiture arrivant et s'éloignant dans un circuit de Formule 1... (cliquez sur la vidéo en dessous pour entendre cet effet).
Au niveau des "ondes sonores" c'est cet effet qui donne un "son" plus aigu aux ondes qui se rapprochent et un son plus graves lorsqu'elles s’éloignent : exemple un camion de pompier qui arrive et vous dépasse, une voiture arrivant et s'éloignant dans un circuit de Formule 1... (cliquez sur la vidéo en dessous pour entendre cet effet).
Là ou cela devient très important, c'est que si on considère et qu'on assume cet effet aux niveaux des ondes sonores (Doppler) et qu'on le fait correspondre aux ondes lumineuses (Doppler-Fizeau) alors si l'on constate que des ondes lumineuses s’éloignent dans notre Univers, on pourra constater que celui-ci est dynamique, qu'il s'étend, qu'il est en mouvement et en expansion !
Et quels sont les objets les plus distants dans l'Univers : Les Galaxies.
Une mesure que l'on constate en astrophysique, c'est que lorsque l'on prend le spectre dans le visible des galaxies, on obtient seulement une cinquantaine des spectres ou des redshifts négatifs. (le redshift est la différence entre les ondes mesurées par rapport aux ondes émises en laboratoire au repos). Les quelques galaxies à redshift négatifs, c'est à dire aux ondes décalées vers le bleu du spectre, forment ce que l'on appelle notre "Groupe Local". C'est le groupe de galaxie dans lequel se trouve notre Galaxie : Voie Lactée et la galaxie d'Andromède M31, ainsi que d'autres galaxies plus petites. A ces distances c'est encore la gravitation qui domine, qui lie les galaxies entre elles. L'expansion ne se fait pas sentir à cette échelle.
Et quels sont les objets les plus distants dans l'Univers : Les Galaxies.
Une mesure que l'on constate en astrophysique, c'est que lorsque l'on prend le spectre dans le visible des galaxies, on obtient seulement une cinquantaine des spectres ou des redshifts négatifs. (le redshift est la différence entre les ondes mesurées par rapport aux ondes émises en laboratoire au repos). Les quelques galaxies à redshift négatifs, c'est à dire aux ondes décalées vers le bleu du spectre, forment ce que l'on appelle notre "Groupe Local". C'est le groupe de galaxie dans lequel se trouve notre Galaxie : Voie Lactée et la galaxie d'Andromède M31, ainsi que d'autres galaxies plus petites. A ces distances c'est encore la gravitation qui domine, qui lie les galaxies entre elles. L'expansion ne se fait pas sentir à cette échelle.
Dans les galaxies distantes mais inférieures à 50 Mpc, il est aussi possible de trouver des redshifs négatifs ou proches de zéro, cela s'explique car ce sont des ensembles qu'on appelle Amas de galaxies ou il y a des collisions de galaxies (par exemple l'Amas de la Vierge à 17 Mpc). Ces galaxies pendant leur collision, sont envoyées dans toutes les directions sans en avoir une direction préférentielle dans l'Amas et par conséquent elles se retrouvent parfois sur notre ligne de visée, se déplaçant vers nous, ce qui explique la vitesse qui vient vers nous (vitesse d’éjection proche de la vitesse de récession, d'ou vitesse nulle).
Au delà de 50 Mpc, soit 163 millions d'années-lumière, TOUTES les galaxies semblent s'éloigner, on ne trouve que des redshift positifs ! Il suffirait d'une seule galaxie très distante à redshift nul ou négatif pour mettre à plat le modèle du Big-Bang.
Les redshift les plus petits des galaxies les plus proches qui sont décalés vers le rouge sont de l'ordre de 0.001, de l'ordre du millième de la vitesse de la lumière. Ces galaxies "semblent" s'éloigner entre 500 et 1000 km/s.
Les plus distantes, disons les quasars ont des redshifts supérieurs à 2 ou 3 et sont pour une petite partie accessibles aux amateurs, Les professionnels les mesurent jusqu'à des redshift supérieurs à 10. Pour un redshift de 3 la galaxie semble s'éloigner de 250 000 km/s !! ce qui fait 900 millions de km/h !!!!
C'est par cet effet que l'on a compris que l'Univers n'était pas statique (voir histoire de l'astronomie avec Slipher, Hubble,...). Et si il n'est pas statique, il a une évolution il a même une histoire que l'on peut schématiser par un début...
Pour illustrer ce que l'on observe en astronomie, hors ondes gravitationnelles, on analyse la lumière : voyons le spectre de galaxies comportant une raie en émission celle H alpha (la raie la plus connue et une des plus intense).
Cette raie, est la raie de l'hydrogène alpha, ie, entre le niveau 3 et le niveau 2 (l'electron qui tourne autour de l'atome ne se balade pas n'import ou mais selon des orbites spéciales appelées niveaux d'énergie. L'electron redescendant d'un niveau il réémet un photon.
Au delà de 50 Mpc, soit 163 millions d'années-lumière, TOUTES les galaxies semblent s'éloigner, on ne trouve que des redshift positifs ! Il suffirait d'une seule galaxie très distante à redshift nul ou négatif pour mettre à plat le modèle du Big-Bang.
Les redshift les plus petits des galaxies les plus proches qui sont décalés vers le rouge sont de l'ordre de 0.001, de l'ordre du millième de la vitesse de la lumière. Ces galaxies "semblent" s'éloigner entre 500 et 1000 km/s.
Les plus distantes, disons les quasars ont des redshifts supérieurs à 2 ou 3 et sont pour une petite partie accessibles aux amateurs, Les professionnels les mesurent jusqu'à des redshift supérieurs à 10. Pour un redshift de 3 la galaxie semble s'éloigner de 250 000 km/s !! ce qui fait 900 millions de km/h !!!!
C'est par cet effet que l'on a compris que l'Univers n'était pas statique (voir histoire de l'astronomie avec Slipher, Hubble,...). Et si il n'est pas statique, il a une évolution il a même une histoire que l'on peut schématiser par un début...
Pour illustrer ce que l'on observe en astronomie, hors ondes gravitationnelles, on analyse la lumière : voyons le spectre de galaxies comportant une raie en émission celle H alpha (la raie la plus connue et une des plus intense).
Cette raie, est la raie de l'hydrogène alpha, ie, entre le niveau 3 et le niveau 2 (l'electron qui tourne autour de l'atome ne se balade pas n'import ou mais selon des orbites spéciales appelées niveaux d'énergie. L'electron redescendant d'un niveau il réémet un photon.
L'hydrogène étant l’élément le plus important dans l'Univers en quantité massique ~74%, on le retrouve partout dans l'Univers et dans presque tous les objets.
Les galaxies prises pour illustrer le phénomène de l'expansion sont les suivantes : choix purement arbitraire pour montrer le décalage de la raie H alpha en émission, on aurait pu prendre d'autres galaxies pour illustrer le même effet.
M101 : distance = 17 millions d'années-lumière.
M100 : distance = 73 millions d'années-lumière.
Mrk 478 : distance = 1.14 milliards d'années-lumière.
PG 0804+761 : distance = 1.44 milliards d'années-lumière.
2MASX J07362309+3926173 : distance = 1.7 milliards d'années-lumière.
Les galaxies prises pour illustrer le phénomène de l'expansion sont les suivantes : choix purement arbitraire pour montrer le décalage de la raie H alpha en émission, on aurait pu prendre d'autres galaxies pour illustrer le même effet.
M101 : distance = 17 millions d'années-lumière.
M100 : distance = 73 millions d'années-lumière.
Mrk 478 : distance = 1.14 milliards d'années-lumière.
PG 0804+761 : distance = 1.44 milliards d'années-lumière.
2MASX J07362309+3926173 : distance = 1.7 milliards d'années-lumière.
Sur le graphique ci-dessous, en pointillé rouge la raie théorique au repos de cette raie H alpha mesurée sur Terre.
On remarque que sur les spectres de galaxies, plus les galaxies sont à des distances éloignées, plus cette raie est décalée vers la droite du spectre, c'est à dire vers le rouge les grandes longueurs d'ondes, Plus la raie est décalée, plus les galaxies sont éloignées.
Pour donner un ordre d'idée, avec ce décalage on arrive quand même à des distances de l'ordre des dizaines de millions d'années-lumière aux milliards d'années-lumière !!!
Avec cet exemple sur l'analyse de la lumière des galaxies, on retrouve la même effet Dopller-Fizeau obtenu avec les ondes sonores sur le circuit des Formules 1. S'éloignant elles-ci donnaient un son plus grave, sur les galaxies, avec les ondes visuelles, on les observent s'éloignant et décalées vers le rouge, le coté droit du spectre. On montre alors que l'Univers est bel et bien en expansion, non statique !!
On remarque que sur les spectres de galaxies, plus les galaxies sont à des distances éloignées, plus cette raie est décalée vers la droite du spectre, c'est à dire vers le rouge les grandes longueurs d'ondes, Plus la raie est décalée, plus les galaxies sont éloignées.
Pour donner un ordre d'idée, avec ce décalage on arrive quand même à des distances de l'ordre des dizaines de millions d'années-lumière aux milliards d'années-lumière !!!
Avec cet exemple sur l'analyse de la lumière des galaxies, on retrouve la même effet Dopller-Fizeau obtenu avec les ondes sonores sur le circuit des Formules 1. S'éloignant elles-ci donnaient un son plus grave, sur les galaxies, avec les ondes visuelles, on les observent s'éloignant et décalées vers le rouge, le coté droit du spectre. On montre alors que l'Univers est bel et bien en expansion, non statique !!
Pour aller plus loin :
Comme les galaxies s’éloignent proportionnellement à leurs distances, on peut relier la distance au redshift ou à la vitesse de récession. C'est ce qu'à fait l'astronome Edwin Hubble et que l'on appelle en mémoire de cet astronome la constante de Hubble-Lemaitre.
Avec les 5 galaxies de l'exemple ci-dessus on peut faire une très schématique relation de Hubble "maison" qui relie les vitesses de récession calculées avec les spectres (en tenant compte de la relativité) aux distances données par un site de la NASA.
On remarque que la loi est linéaire.
Cette constante qui relie des km/s aux Mpc, relie des distances avec un temps. La constante de Hubble est donc l'inverse d'un temps et celui-ci peut calculer l'âge de l'Univers !
Avec une constante de Hubble de 64.43, coefficient directeur de la droite du graphique on trouve un âge de l'Univers de :
T = (1 / (64.43 / 3.086 x 10^19) / (365 x 24 x 3600 x 10^9)
T = 15.18
Soit l'âge de l'Univers de 15.18 milliards d'années.
Cette constante qui relie des km/s aux Mpc, relie des distances avec un temps. La constante de Hubble est donc l'inverse d'un temps et celui-ci peut calculer l'âge de l'Univers !
Avec une constante de Hubble de 64.43, coefficient directeur de la droite du graphique on trouve un âge de l'Univers de :
T = (1 / (64.43 / 3.086 x 10^19) / (365 x 24 x 3600 x 10^9)
T = 15.18
Soit l'âge de l'Univers de 15.18 milliards d'années.
