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Les ondes lumineuses provenant d’une source en mouvement subissent l’effet Doppler, qui se traduit par un décalage rouge ou bleu de la fréquence de la lumière. Ce phénomène est similaire (mais pas identique) à d’autres types d’ondes, comme les ondes sonores. La principale différence est que les ondes lumineuses n’ont pas besoin de support pour se déplacer, de sorte que l’application classique de l’effet Doppler ne s’applique pas précisément à cette situation.
L’effet Doppler relativiste pour la lumière
Considérons deux objets : la source de lumière et l' »auditeur » (ou l’observateur). Comme les ondes lumineuses qui se déplacent dans le vide n’ont pas de support, nous analysons l’effet Doppler de la lumière en fonction du mouvement de la source par rapport à l’auditeur.
Nous avons mis en place notre système de coordonnées de manière à ce que la direction positive aille de l’auditeur vers la source. Ainsi, si la source s’éloigne de l’auditeur, sa vitesse v est positive, mais si elle se rapproche de l’auditeur, alors la vitesse v est négative. L’auditeur, dans ce cas, est toujours considéré comme étant au repos (donc v est en fait la vitesse relative totale entre eux). La vitesse de la lumière c est toujours considérée comme positive.
L’auditeur reçoit une fréquence fL qui serait différente de la fréquence transmise par la source fS. Celle-ci est calculée avec la mécanique relativiste, en appliquant la contraction de longueur nécessaire, et obtient la relation :
fL = sqrt [( c – v)/( c + v)] * fS
Red Shift & Blue Shift
Une source lumineuse s’éloignant de l’auditeur (v est positif) fournirait un fL inférieur à fS. Dans le spectre de la lumière visible, cela entraîne un décalage vers l’extrémité rouge du spectre lumineux, c’est pourquoi on parle de redshift. Lorsque la source lumineuse se déplace vers l’auditeur (v est négatif), alors fL est supérieur à fS. Dans le spectre de la lumière visible, cela provoque un décalage vers l’extrémité haute fréquence du spectre lumineux. Pour une raison quelconque, le violet a obtenu l’extrémité courte du bâton et un tel décalage de fréquence est en fait appelé décalage bleu. Évidemment, dans le domaine du spectre électromagnétique en dehors du spectre lumineux visible, ces décalages peuvent ne pas être en fait vers le rouge et le bleu. Si vous êtes dans l’infrarouge, par exemple, vous vous éloignez ironiquement du rouge lorsque vous subissez un « redshift ».
Demandes
La police utilise cette propriété dans les radars qu’elle utilise pour suivre la vitesse. Les ondes radio sont émises, entrent en collision avec un véhicule et rebondissent. La vitesse du véhicule (qui agit comme source de l’onde réfléchie) détermine le changement de fréquence, qui peut être détecté avec le boîtier. (Des applications similaires peuvent être utilisées pour mesurer la vitesse du vent dans l’atmosphère, ce qui est le « radar Doppler » dont les météorologues sont si friands).
Ce décalage Doppler est également utilisé pour suivre les satellites. En observant comment la fréquence change, vous pouvez déterminer la vitesse par rapport à votre position, ce qui permet au suivi au sol d’analyser le mouvement des objets dans l’espace.
En astronomie, ces changements s’avèrent utiles. Lorsque vous observez un système composé de deux étoiles, vous pouvez savoir laquelle se déplace vers vous et laquelle s’éloigne en analysant comment les fréquences changent.
Plus important encore, l’analyse de la lumière provenant de galaxies lointaines montre que la lumière subit un déplacement vers le rouge. Ces galaxies s’éloignent de la Terre. En fait, les résultats de cette analyse vont un peu plus loin que le simple effet Doppler. C’est en fait le résultat de l’expansion de l’espace-temps lui-même, comme le prédit la relativité générale. Les extrapolations de cette preuve, ainsi que d’autres résultats, soutiennent l’image du « big bang » de l’origine de l’univers.
