(Cliquez sur l’image pour voir l’infographie complète.) L’univers est en expansion, et cette expansion étire la lumière voyageant dans l’espace dans un phénomène connu sous le nom de décalage vers le rouge cosmologique. Plus le décalage vers le rouge est important, plus la distance parcourue par la lumière est grande. Par conséquent, les télescopes équipés de détecteurs infrarouges sont nécessaires pour voir la lumière des premières galaxies les plus éloignées. Crédit : NASA, ESA, ET L. Hustak (STSci)
Le “décalage vers le rouge” est un concept clé pour les astronomes. Le terme peut être compris littéralement : la longueur d’onde de la lumière est étirée, de sorte que la lumière est perçue comme ” décalée ” vers la partie rouge du spectre.
Un phénomène similaire se produit pour les ondes sonores lorsqu’une source sonore se déplace par rapport à un observateur. Cet effet est appelé “effet Doppler” d’après Christian Andreas Doppler, un mathématicien autrichien qui a découvert que la fréquence des ondes sonores change si la source sonore et l’observateur se déplacent l’un par rapport à l’autre.
Si les deux se rapprochent, la fréquence entendue par l’observateur est plus élevée ; si elles s’éloignent l’une de l’autre, la fréquence entendue est plus basse.
Il existe de nombreux exemples quotidiens de l’effet Doppler – le changement de tonalité des sirènes de police et d’ambulance, ou les sifflets des trains et les moteurs des voitures de course lorsqu’ils passent. Dans tous les cas, il y a un changement audible de la hauteur du son lorsque la source s’approche puis dépasse un observateur.
Lignes d’absorption dans le spectre visible d’un superamas de galaxies lointaines (à droite), comparées aux lignes d’absorption dans le spectre visible du Soleil (à gauche). Les flèches indiquent le décalage vers le rouge. La longueur d’onde augmente vers le rouge et au-delà (la fréquence diminue). Crédit : Georg Wiora (Dr. Schorsch) CC BY-SA 3.0
Tout le monde a entendu l’augmentation de la fréquence d’une sirène de police qui s’approche et la forte diminution de la fréquence lorsque la sirène passe et s’éloigne. Cet effet est dû au fait que les ondes sonores arrivent à l’oreille de l’auditeur plus rapprochées lorsque la source se rapproche, et plus éloignées lorsqu’elle s’éloigne.
La lumière se comporte comme une onde, de sorte que la lumière provenant d’un objet lumineux subit un décalage de type Doppler si la source se déplace par rapport à nous. Depuis 1929, date à laquelle Edwin Hubble a découvert que l’Univers était en expansion, nous savons que la plupart des autres galaxies s’éloignent de nous. La lumière provenant de ces galaxies est décalée vers des longueurs d’onde plus grandes (et donc plus rouges) – en d’autres termes, elle est “décalée vers le rouge”.
Comme la lumière voyage à une vitesse tellement élevée par rapport aux phénomènes quotidiens (un million de fois plus vite que le son), nous ne ressentons pas ce décalage vers le rouge dans notre vie quotidienne.
Le décalage vers le rouge d’une galaxie ou d’un quasar éloigné est facilement mesuré en comparant son spectre à un spectre de laboratoire de référence. Les lignes d’émission et d’absorption atomiques apparaissent à des longueurs d’onde bien connues. En mesurant l’emplacement de ces lignes dans les spectres astronomiques, les astronomes peuvent déterminer le décalage vers le rouge des sources éloignées.
Cependant, pour être précis, les décalages vers le rouge observés sur des objets lointains ne sont pas exactement dus au phénomène Doppler, mais sont plutôt le résultat de l’expansion de l’Univers.
Les décalages Doppler résultent du mouvement relatif de la source et de l’observateur dans l’espace, alors que les décalages vers le rouge astronomiques sont des “décalages vers le rouge d’expansion” dus à l’expansion de l’espace lui-même.
Deux objets peuvent être stationnaires dans l’espace et subir un décalage vers le rouge si l’espace intermédiaire est en expansion.
Une analogie pratique pour l’expansion de l’Univers est une miche de pain aux raisins non cuite. Les raisins secs sont au repos les uns par rapport aux autres dans la pâte avant qu’elle ne soit placée dans le four. Lorsque le pain lève, il se dilate également, ce qui fait que l’espace entre les raisins secs augmente.
Si les raisins secs pouvaient voir, ils constateraient que tous les autres raisins secs s’éloignent d’eux alors qu’ils sont eux-mêmes immobiles dans le pain. Seule la pâte – leur “Univers” – est en expansion.
