Mesurer des vitesses avec la lumière

En astrophysique, on ne peut faire aucune mesure directe : pas de balance à étoiles ou pas de thermomètre à gaz inter-galactique. On doit se débrouiller avec la lumière que l’on reçoit !

Une mesure très importante, et parfois presque facile, est celle de la vitesse d’une galaxie sur la ligne de visée, c’est-à-dire dans l’axe observateur-source.

Pour mesurer cette vitesse, on utilise l’effet Doppler. C’est lui qui modifie le son de la sirène des pompiers : lorsque les pompiers s’approchent de nous le son de la sirène devient plus aigu, lorsqu’ils s’éloignent ils devient plus grave et ce d’autant plus que la vitesse du camion de pompier est rapide. En mesurant la hauteur du son de la sirène des pompiers dans la rue, il est possible de déduire la vitesse du camion. On peut utiliser cet effet aussi pour mesurer la vitesse des galaxies, mais au lieu d’utiliser les ondes sonores comme pour les pompiers, on utilise les ondes lumineuses.

Comment procède-t-on précisément ?  

• Sous certaines conditions, les éléments chimiques émettent de la lumière sous la forme d’un spectre lumineux. Une étoile ou une galaxie contient des éléments chimiques et émettent donc un spectre lumineux ;
• le spectre émis par un élément chimique contient des raies caractéristiques de cet élément. La position de ces raies sont connues exactement, elle correspond à la fréquence de la lumière émise. Cette position sert de référence. Une source (galaxie ou étoile) comportant cet élément chimique immobile par rapport à nous, présentera ces raies caractéristiques exactement à la position de cette référence ;
• le spectre d’une source (étoile ou galaxie) est mesuré ;
• si cette source est en mouvement par rapport à nous, les raies caractéristiques des éléments qu’elle contient seront décalées : comme pour la sirène des pompiers, leur fréquence perçue est modifiée ;
• on mesure l’écart entre la position observée et la position de référence ;
• on en déduit très simplement la vitesse de la source par rapport à nous avec la bonne formule mathématique.

Si la mesure est simple sur le principe, son interprétation est parfois délicate : la mesure faite est celle de la vitesse le long de l’axe observateur-source, mais la source peut bouger dans tous les sens !

Heureusement pour les cosmologistes, les galaxies suffisamment loin de nous ont un mouvement propre petit devant le mouvement d’expansion de l’espace qui les porte, on peut donc négliger ces déplacement latéraux et mesurer la vitesse de l’espace qui se dilate.

On connait aujourd’hui la vitesse de centaines de millions de galaxies, et ce nombre augmente régulièrement…

Cette vidéo vertigineuse n’est pas une simulation : les positions, couleurs, et formes de ces galaxies ont vraiment été mesurées. Et les futures générations, avec les télescopes LSST ou Euclid par exemple, vont faire vraiment beaucoup mieux encore !