L'effet Doppler PDF - Physique et Astronomie

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OK, here is the conversion of the attached document into a structured markdown format. ### 19 L'effet Doppler Nous avons tous entendu la sirène d'une ambulance perdre de la hauteur sur son passage. Les ondes provenant d'une source qui se rapproche de nous sont comprimées et semblent donc avoir une fréquence plus haute; de même, les ondes provenant d'une source qui s'éloigne sont étirées et leur fréquence diminue. C'est ce que l'on appelle l'effet Doppler. On l'utilise pour mesurer la vitesse des voitures ou celle du sang, et les mouvements des étoiles et des galaxies dans l'Univers. Quand une ambulance vous dépasse à toute vitesse dans la rue, la hauteur du hurlement de sa sirène change: plus aiguë quand elle approche et plus basse quand elle s'éloigne. Ce changement s'appelle effet Doppler, du nom du mathématicien et astronome autrichien **Christian Doppler** qui en a proposé le principe en 1842. Il est dû au mouvement du véhicule source par rapport à l'observateur. Quand le véhicule approche, ses ondes sonores s'empilent les unes sur les autres, la distance entre les fronts d'onde est comprimée et le son gagne en hauteur. Quand il s'éloigne, les fronts d'ondes mettent plus longtemps à vous atteindre, les intervalles sont plus longs et le son est plus bas. Les ondes sonores correspondent à une compression de l'air. Va-et-vient Imaginez que quelqu'un, sur une plateforme mobile ou un train vous envoie des balles à une fréquence d'une toutes les trois secondes, comptées sur sa montre. S'il s'approche de vous, il y aura toujours un peu moins de trois secondes entre la réception de deux balles successives car la distance à parcourir s'amoindrit continuellement. De même, quand la plateforme s'éloigne, il faut toujours un peu plus de temps aux balles pour arriver, elles doivent à chaque lancer parcourir un petit peu plus de distance, et leur fréquence d'arrivée sera inférieure à leur fréquence de lancer. Si vous pouviez mesurer le décalage de fréquence avec votre propre montre, vous pourriez en déduire la vitesse du train. L'effet Doppler s'applique à tous les objets animés d'un mouvement relatif. Le même phénomène se produirait si c'était vous qui étiez sur un train et le lanceur sur le quai. L'effet Doppler, en ce qu'il permet de mesurer la vitesse, compte nombre d'applications. Il est utilisé en médecine pour mesurer la circulation sanguine et également par les radars sur le bord des routes pour confondre les conducteurs qui ne respectent pas les limitations. **Chronologie** | | | | :--- | :------------------- | | 1842 | Doppler présente son article sur le décalage du spectre des étoiles | | 1912 | Vesto Slipher observe le décalage vers le rouge des galaxies | | 1992 | Première planète extrasolaire découverte par la méthode Doppler | #### Christian Doppler (1803-1853) Christian Doppler naquit dans une famille de maçons à Salzbourg, en Autriche. Il se révéla trop frêle pour reprendre l'entreprise familiale et partit à Vienne étudier les mathématiques, la philosophie et l'astronomie. Avant d'obtenir un poste universitaire à Prague, Doppler dut travailler comme libraire et songea même un temps à s'expatrier en Amérique. Même une fois devenu professeur, Doppler peinait à assurer sa charge d'enseignement et sa santé s'en ressentait. Un de ses amis écrivit: « Il est difficile de se rendre compte quel génie fructueux l'Autriche a en cet homme [...] à beaucoup de gens qui pourraient épargner Doppler au bénéfice de la science plutôt que de le laisser mourir sous le joug. Malheureusement, je crains le pire. ». Doppler finit par quitter Prague pour retourner à Vienne. En 1842, il présenta un article décrivant le décalage chromatique dans la lumière stellaire, ce que nous appelons aujourd'hui effet Doppler. « L'on peut presque accepter avec certitude le fait que ceci offrira aux astronomes, dans un futur relativement proche, un moyen bienvenu de déterminer les mouvements et les distances de ces étoiles qui, en raison des distances incommensurables qui les séparent de nous et de la subséquente petitesse des angles de parallaxe, n'offraient jusqu'à ce jour que bien peu d'espoir de pouvoir faire l'objet de telles mesures. » Bien que considéré comme intéressant et novateur, l'article de Doppler reçut un accueil mitigé de la part des autres scientifiques. Les détracteurs de Doppler mettaient en doute ses capacités mathématiques, cependant que ses amis tenaient en haute estime sa créativité et son intuition scientifiques. ### L'effet D *«Peut-être les gens recevant l'une de nos longueurs d'onde sur quelque lointaine planète n'entendent-ils rien d'autre qu'un cri continu.»* - **Iris Murdoch, 1919-99** Le mouvement spatial L'effet Doppler apparaît très souvent en astronomie, partout où l'on trouve de la matière en mouvement. Par exemple, la lumière provenant d'une planète en orbite autour d'une étoile lointaine subit un effet Doppler. Quand la planète se rapproche de nous, la fréquence augmente, et quand elle s'éloigne, la fréquence diminue. La lumière de la planète qui s'approche est dite « décalée vers le bleu », celle de la planète qui s'éloigne « décalée vers le rouge ». Des centaines de planètes en orbites autour d'étoiles lointaines ont été découvertes depuis le début des années 1990 en repérant de tels décalages encodés dans l'éclat lumineux de l'étoile. Les décalages vers le rouge peuvent provenir non seulement des mouvements orbitaux des planètes mais aussi de l'expansion de l'Univers - on parle alors de décalage vers le rouge cosmologique. Si l'espace intermédiaire qui nous sépare d'une galaxie enfle régulièremeent au fil de l'expansion de l'Univers, cela est équivalent à un mouvement d'éloignement de la galaxie à une certaine vitesse, exactement comme deux points sur un ballon que l'on gonfle ont l'air de s'éloigner l'un de l'autre Par conséquent, la lumière de la galaxie est décalée vers des fréquences plus basses parce que les ondes doivent parcourir une distance toujours plus grande pour nous parvenir Ainsi, des galaxies très lointaines apparaissent plus rouges que des galaxies proches Stricto sensu le décalage cosmologique n'est pas un vrai effet Doppler parce que la galaxie n'est pas en mouvement relativement aux objets qui l'entourent ! La galaxie est immobile dans son environnement, c'est l'espace intermédiaire qui s'agrandit Portons à son crédit le fait que Doppler lui-même sut voir que l'effet Doppler pourrait être utile aux astronomes - même s'il ne pouvait imaginer tout ce qui en découlerait ! Il affirma l'avoir observé dans le spectre d'une étoile double, mais ceci fut très controversé à son epoque Doppler était un scientifique imaginatif et créatif mais son enthousiasme dépassait parfois ses compétences expérimentales. Des décennies plus tard, cependant, le décalage vers le rouge de certaines galaxies fut mesuré par l'astronome Vesto Slipher préparant l'avènement du modèle du Big Bang Et aujourd'hui, l'effet Doppler permet de repérer des mondes en orbite autour d'étoiles lointaines, mondes qui pourraient même se révéler habités **Les planètes extrasolaires** Plus de deux cents planètes en orbite autour d'étoiles autres que notre Soleil ont été découvertes. La plupart sont des géantes gazeuses semblables à Jupiter mais beaucoup plus proches de leur étoile que celle-ci. Néanmoins, quelques planètes potentiellement telluriques, d'une taille semblable à celle de la Terre, ont été repérées. Environ une étoile sur dix compte des planètes, et ceci alimente les spéculations au sujet de la possibilité d'une vie extraterrestre. La grande majorité des planètes extrasolaires ont été détectées en observant l'attraction gravitationnelle qu'elles exercent sur leurs étoiles. Les planètes sont en effet très petites comparées aux étoiles et il est difficile de les repérer dans la lumière aveuglante de leur astre Mais la masse de la planète entraîne une légère oscillation de l'étoile autour de sa position moyenne, et cette oscillation peut être détectée sous la forme d'un effet Doppler dans la fréquence d'une certaine grandeur caractéristique du spectre d'une étoile Les premières planètes extrasolaires furent repérées autour d'un pulsar en 1992 et autour d'une étoile en 1995. Leur détection est désormais routinière mais les astronomes sont toujours à la recherche de systèmes solaires semblables au nôtre et essaient de comprendre comment surviennent les diverses configurations planétaires. De nouveaux observatoires spatiaux, à savoir le télescope européen COROT (depuis 2006) et le Kepler américain (en 2008), devraient permettre de repérer beaucoup de planètes semblables à la Terre dans un futur proche. **Idée clé** Belle hauteur