L’analyse
spectrale, l’effet Doppler et les autres applications
Les applications
de l’analyse spectrale ne se résument pas à la
détermination de la température et de la composition chimique. Une autre
information importante est la vitesse du corps observé.
L’effet Doppler
Imaginez que vous
observiez un objet qui émet des bips sonores séparés par un intervalle de temps
constant – cet intervalle s’appelle la période.
Lorsque l’objet
est immobile, vous entendez les bips les uns après les autres, toujours séparés
par le même intervalle de temps.
Mais imaginez
maintenant que l’objet se rapproche de vous, à une vitesse non négligeable
devant celle du son. La transmission du bip depuis l’objet jusqu’à notre
oreille ne peut pas être considérée comme instantanée et il faut tenir compte
du temps nécessaire à la propagation du son.
Si le premier bip
est produit à une position donnée, le deuxième est émis à une distance moindre.
Le temps de transmission du premier bip est donc plus grand que celui du
deuxième. Pour notre oreille, l’intervalle de temps entre les deux bips n’est
plus égal à la période réelle du signal. Ainsi, si l’objet se rapproche de
nous, la période apparente du son est plus petite que la période réelle.
Inversement, si
l’objet s’éloigne, la période apparente est plus grande que la période réelle.
Effet Doppler : du
fait de la propagation du son, la période et la fréquence apparentes de l’objet
central dépendent de sa vitesse et de la position de l’observateur. Crédit : O.
Esslinger
Ce phénomène est
appelé effet Doppler, du nom du physicien qui le découvrit.
Dans le cas des
ondes sonores, sa conséquence bien connue est le changement de son d’une sirène
d’ambulance qui passe rapidement devant nous. Lorsque la sirène se rapproche,
la période du son diminue et celui-ci devient plus aigu. Lorsqu’elle s’éloigne,
la période s’allonge et le son devient plus grave.
Les ondes
lumineuses
L’effet Doppler
se produit également pour les ondes lumineuses.
Lorsqu’une source
se rapproche de nous, la longueur d’onde apparente de son rayonnement diminue,
sa lumière se déplace vers la partie bleue du spectre visible et l’on parle
d’un décalage vers le bleu. Inversement, si la source s’éloigne, la longueur
d’onde augmente et la lumière est décalée vers le rouge.
Comme le décalage
en longueur d’onde est directement relié à la vitesse de l’objet, l’une des
grandeurs permet de déterminer l’autre.
Par exemple, si
l’on veut connaître la vitesse relative d’une étoile de type solaire, il suffit
de prendre un spectre de l’étoile, de comparer celui-ci à un spectre du Soleil,
de mesurer le décalage entre les deux, et d’en déduire immédiatement la vitesse
recherchée.
L’utilisation de
cette méthode de mesure des vitesses est très répandue dans tous les domaines
de l’astronomie. On l’utilise par exemple pour déterminer la vitesse de
déplacement et la vitesse de rotation d’autres étoiles, la vitesse d’éjection
des gaz par certains corps en formation, ainsi que la vitesse des galaxies les
plus lointaines.
Remarquons
néanmoins que cette méthode ne fournit que la vitesse de l’objet le long de
notre ligne de visée. En effet, une éventuelle vitesse perpendiculaire à cette
ligne ne donne pas lieu à l’effet Doppler et passe donc inaperçue dans le
spectre.
Les autres
mesures possibles
L’analyse
spectrale apporte encore beaucoup d’autres informations. Ainsi, la hauteur
relative des raies d’un gaz nous indique le degré d’ionisation de ses
constituants, la forme des raies nous renseigne sur la pression, le champ
électrique et la turbulence dans le gaz, et un déplacement particulier des
raies, appelé l’effet Zeeman, peut nous fournir le champ magnétique.
Le spectre de
certains objets a une forme très particulière, facile à identifier, qui nous
indique la nature des processus physiques en jeu. C’est par exemple le cas du
rayonnement synchrotron, produit par des électrons très énergétiques se
déplaçant dans un champ magnétique, et qui donne lieu à un spectre continu mais
différent de celui d’un corps noir.
L’astrophysique
On peut le
constater, l’analyse spectrale est un outil extrêmement efficace. A partir d’un
simple rayon lumineux, on peut obtenir un impressionnant nombre d’informations
sur les conditions régnant dans un objet céleste et les phénomènes physiques
qui s’y produisent.
C’est grâce à cet
outil fantastique que l’astronomie comme on la connaissait il y a un peu plus
siècle, l’étude de la position et du mouvement des planètes, est devenue
l’astrophysique, l’étude de la nature physique des corps célestes et des processus
qui les affectent.
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