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En astronomie et en cosmologie, on distingue trois types de décalage vers le rouge : le décalage Doppler dû aux mouvements relatifs des sources de rayonnement, le décalage gravitationnel lié à l’échappement du rayonnement des potentiels gravitationnels , et le décalage cosmologique causé par l’ expansion de l’Univers . La valeur du décalage vers le rouge est souvent notée l’énergie des photons et, via la loi de Planck , à la température du corps noir correspondante .
Des exemples de fort décalage vers le rouge sont les rayons gamma perçus comme des rayons X , ou la lumière initialement visible perçue comme des ondes radio . Le rayonnement initial à 3 000 kelvins (K) issu du Big Bang a subi un important décalage vers le rouge pour devenir le fond diffus cosmologiquespectroscopie sur des objets astronomiques et sont utilisés dans des technologies terrestres telles que le radar Doppler et les canons radar . Les ondes gravitationnelles , qui se propagent également à la vitesse de la lumière , sont soumises aux mêmes phénomènes de décalage vers le rouge.
Other physical processes exist that can lead to a shift in the frequency of electromagnetic radiation, including scattering and optical effects; however, the resulting changes are distinguishable from (astronomical) redshift and are not generally referred to as such.
classical wave mechanics and the exploration of phenomena which are associated with the Doppler effect. The effect is named after the Austrian mathematician Christian Doppler, who offered the first known physical explanation for the phenomenon in 1842. In 1845, the hypothesis was tested and confirmed for sound waves by the Dutch scientist Christophorus Buys Ballot. Doppler correctly predicted that the phenomenon would apply to all waves and, in particular, suggested that the varying colors of stars could be attributed to their motion with respect to the Earth.Unaware of Doppler's work, French physicist Hippolyte Fizeau suggested in 1848 that a shift in spectral lines from stars might be used to measure their motion relative to Earth. In 1850, François-Napoléon-Marie Moigno analysed both Doppler's and Fizeau's ideas in a publication read by both James Clerk Maxwell and William Huggins, who initially stuck to the idea that the color of stars related to their chemistry, however by 1868, Huggins was the first to determine the velocity of a star moving away from the Earth by the analysis of spectral shifts.
In 1871, optical redshift was confirmed when the phenomenon was observed in Fraunhofer lines, using solar rotation, about 0.1 Å in the red. In 1887, Hermann Carl Vogel and Julius Scheiner discovered the "annual Doppler effect", the yearly change in the Doppler shift of stars located near the ecliptic, due to the orbital velocity of the Earth. In 1901, Aristarkh Belopolsky verified optical redshift in the laboratory using a system of rotating mirrors.
Dès 1912, Vesto Slipher, grâce à ses observations , découvrit que la galaxie d'Andromède présentait un décalage vers le bleu, indiquant son mouvement vers la Terre. Slipher publia sa mesure dans le premier volume du Lowell Observatory Bulletin . Trois ans plus tard, il publia une synthèse dans la revue Popular Astronomy . Il y déclarait que « la découverte précoce de la vitesse exceptionnelle de –300 km/s de la grande spirale d'Andromède a démontré que les moyens alors disponibles permettaient d'étudier non seulement les spectres des spirales, mais aussi leurs vitesses. » Slipher rapporta les vitesses de 15 nébuleuses spirales réparties sur toute la sphère céleste , dont 15 présentaient des vitesses « positives » (c'est-à-dire récessives) observables.
Jusqu'en 1923, la nature des nébuleuses restait incertaine. Cette année-là, Edwin Hubble avait établi qu'il s'agissait de galaxies et mis au point une méthode de mesure des distances basée sur la relation période-luminosité des étoiles variables Céphéides . Ceci permit de tester une prédiction de Willem de Sitter, formulée en 1917, selon laquelle le décalage vers le rouge serait corrélé à la distance. En 1929, Hubble combina ses estimations de distance avec les données de décalage vers le rouge issues des rapports de Slipher et des mesures de Milton Humason pour établir une relation approximative entre le décalage vers le rouge et la distance, un résultat désormais connu sous le nom de loi de Hubble .
Les théories relatives à la relation décalage vers le rouge-distance ont également évolué au cours des années 1920. La solution des équations de la relativité générale décrite par de Sitter ne contenait pas de matière, mais en 1922, Alexander Friedmann a établi des solutions dynamiques, désormais appelées équations de Friedmann , à partir de modèles de fluides sans friction. Indépendamment, Georges Lemaître a établi des équations similaires en 1927 et son analyse est devenue largement connue à peu près au moment de la publication majeure de Hubble.
Au début des années 1930, la combinaison des mesures de décalage vers le rouge et des modèles théoriques a constitué une avancée majeure dans la nouvelle science de la cosmologie : l’univers avait une histoire et son expansion pouvait être étudiée à l’aide de modèles physiques étayés par l’astronomie observationnelle.
Lors de la première découverte des décalages vers le rouge cosmologiques, Fritz Zwicky a proposé un effet connu sous le nom de lumière fatiguée . Cependant, ce modèle a été largement écarté par les observations d'étirement de l'échelle de temps dans les supernovae de type Ia .
Arthur Eddington a utilisé le terme « décalage vers le rouge » dès 1923, ce qui constitue le plus ancien exemple du terme recensé par l’ Oxford English Dictionary . Willem de Sitter a utilisé la version en un seul mot « décalage vers le rouge » en 1934.
Dans les années 1960, la découverte des quasars , qui apparaissent comme des sources ponctuelles très bleues et furent donc initialement considérés comme des étoiles atypiques, a conduit à l'idée que leur luminosité était due à leur proximité, contrairement à ce que laissaient supposer leurs données de décalage vers le rouge. De nombreux travaux théoriques et observationnels ont conclu que ces objets étaient des objets astronomiques très puissants mais distants.
Origines physiques
Le décalage vers le rouge correspond à la différence entre deux mesures de longueur d'onde, cette dernière étant une propriété à la fois des photons et de l'instrument de mesure. Le décalage vers le rouge caractérise donc les différences entre deux lieux de mesure. Ces différences sont généralement regroupées en trois catégories, attribuées au mouvement relatif entre la source et l'observateur, à l'expansion de l'Univers et à la gravité. Les sections suivantes expliquent ces catégories.
effet Doppler
Si une source lumineuse s'éloigne d'un observateur, on observe un décalage vers le rouge ( 0"}},"i":0}}] z > 0 ) ; si la source se rapproche de l'observateur, on observe un décalage vers le bleu ( effet Doppler . Par conséquent, ce type de décalage vers le rouge est appelé décalage Doppler . Si la source s'éloigne de l'observateur à une vitesse
où vitesse de la lumière (puisque ). Dans l'effet Doppler classique, la fréquence de la source n'est pas modifiée, mais le mouvement de récession provoque l'illusion d'une fréquence plus basse.
Une analyse plus complète du décalage Doppler vers le rouge nécessite de prendre en compte les effets relativistes liés au mouvement des sources à des vitesses proches de celle de la lumière. Une démonstration complète de cet effet est disponible dans l'article consacré à l' effet Doppler relativiste . En bref, les objets se déplaçant à une vitesse proche de celle de la lumière subissent des écarts par rapport à la formule ci-dessus en raison de la dilatation du temps induite par la relativité restreinte . Ces écarts peuvent être corrigés en introduisant le facteur de Lorentz
Ce phénomène a été observé pour la première fois dans une expérience réalisée en 1938 par Herbert E. Ives et GR Stilwell, appelée l' expérience d'Ives-Stilwell .
Le facteur de Lorentz ne dépendant que de la norme de la vitesse, le décalage vers le rouge associé à la correction relativiste est indépendant de l'orientation du mouvement de la source. En revanche, la partie classique de la formule dépend de la projection du mouvement de la source sur la ligne de visée, ce qui donne des résultats différents selon l'orientation. Si
et pour un mouvement uniquement dans la ligne de visée (
Dans le cas particulier où la lumière se déplace à angle droit ( rouge transversal , et un décalage vers le rouge :
La mesure est effectuée même si l'objet ne s'éloigne pas de l'observateur. Même lorsque la source se déplace vers l'observateur, s'il existe une composante transversale au mouvement, il existe une vitesse à laquelle la dilatation annule le décalage vers le bleu attendu, et à une vitesse plus élevée, la source qui s'approche subira un décalage vers le rouge.
Cosmologique
Le facteur d'échelle augmente de façon monotone avec le temps. Ainsi, modèle de Friedmann-Robertson-Walker temps cosmique -décalage vers le rouge . Soit Ω₀ un rapport de
où est la constante de Hubble relativité générale , l'expansion cosmologique de l'espace n'a aucun effet sur la physique locale. Les équations de Maxwell, qui régissent la propagation de la lumière , ne contiennent aucun terme relatif à l'expansion . Le décalage vers le rouge cosmologique peut être interprété comme une accumulation de décalages Doppler infinitésimaux le long de la trajectoire de la lumière.
Il existe plusieurs sites web permettant de calculer différents temps et distances à partir du décalage vers le rouge, car les calculs précis nécessitent des intégrales numériques pour la plupart des valeurs des paramètres.
Distinguer les effets cosmologiques des effets locaux
Le décalage vers le rouge d'une galaxie comprend une composante liée à la vitesse de récession due à l'expansion de l'univers, et une composante liée au mouvement propre de la galaxie par rapport à son univers local. Le décalage vers le rouge dû à l'expansion de l'univers dépend de la vitesse de récession d'une manière déterminée par le modèle cosmologique choisi pour décrire cette expansion, ce qui est très différent de la façon dont le décalage vers le rouge Doppler dépend de la vitesse locale. Décrivant l'origine du décalage vers le rouge liée à l'expansion cosmologique, le cosmologiste Edward Robert Harrison a déclaré : « La lumière quitte une galaxie, immobile dans sa région spatiale locale, et est finalement reçue par des observateurs eux-mêmes immobiles dans leur propre région spatiale locale. Entre la galaxie et l'observateur, la lumière traverse de vastes régions d'espace en expansion. De ce fait, toutes les longueurs d'onde de la lumière sont étirées par l'expansion de l'espace. C'est aussi simple que cela… » Steven Weinberg a précisé : « L'augmentation de la longueur d'onde entre l'émission et l'absorption de la lumière ne dépend pas du taux de variation de facteur d'échelle ] aux instants d'émission ou d'absorption, mais de l'augmentation de relativité générale , il existe une dilatation du temps à l'intérieur d'un puits gravitationnel. La lumière émise à l'intérieur du puits semblera avoir moins de cycles par seconde lorsqu'elle est mesurée à l'extérieur, en raison de la différence entre les deux horloges. Ce phénomène est connu sous le nom de décalage gravitationnel vers le rouge ou décalage d'Einstein . La démonstration théorique de cet effet découle de la solution de Schwarzschild des équations d'Einstein , qui donne la formule suivante pour le décalage vers le rouge associé à un photon se propageant dans le champ gravitationnel d'une masse non chargée , non rotative et à symétrie sphérique :
où
- constante gravitationnelle ,
- masse de l'objet créant le champ gravitationnel,
- coordonnée de Schwarzschild ), et
- vitesse de la lumière .
Ce résultat de décalage gravitationnel vers le rouge peut être déduit des hypothèses de la relativité restreinte et du principe d'équivalence ; la théorie complète de la relativité générale n'est pas nécessaire.
Cet effet, bien que très faible, est mesurable sur Terre grâce à l' effet Mössbauer et a été observé pour la première fois lors de l' expérience de Pound-Rebka . Il est cependant significatif à proximité d'un trou noir et, lorsqu'un objet s'approche de l' horizon des événements, le décalage vers le rouge devient infini. Il est également la principale cause des fluctuations de température à grande échelle angulaire du rayonnement de fond diffus cosmologique (voir l'effet Sachs-Wolfe ) .
Tableau récapitulatif
Plusieurs formules importantes pour le décalage vers le rouge dans certaines géométries d'espace-temps particulières sont résumées dans le tableau suivant. Dans tous les cas, l'amplitude du décalage (la valeur de Pour un mouvement entièrement radial ou en direction de visée : Pour un mouvement entièrement transversal : Pour la géométrie de Schwarzschild : En termes de vitesse de libération : À l'aide d'un télescope et d'un spectromètre , on peut mesurer la variation d'intensité de la lumière stellaire en fonction de la fréquence. Le spectre obtenu peut être comparé, en laboratoire sur Terre, au spectre des gaz chauds présents dans les étoiles, comme l'hydrogène . Comme l'illustre le spectre idéal en haut à droite, pour déterminer le décalage vers le rouge, il est possible de corriger les caractéristiques spectrales des deux spectres, telles que les raies d'absorption , les raies d'émission ou d'autres variations d'intensité lumineuse . Le décalage vers le rouge (et le décalage vers le bleu) peut être caractérisé par la différence relative entre les longueurs d'onde (ou fréquences) observées et émises d'un objet. En astronomie, on utilise généralement une grandeur sans dimension appelée vitesse de la lumière ), alors Le décalage vers le bleu dû à l'effet Doppler ( des énergies plus élevées . Inversement, le décalage vers le rouge dû à l'effet Doppler ( 0"}},"i":0}}] z > 0 ) est associé aux objets qui s'éloignent de l'observateur, la lumière émise se décalant alors vers des énergies plus faibles. De même, le décalage vers le bleu dû à la gravité est associé à la lumière émise par une source située dans un champ gravitationnel plus faible , telle qu'observée depuis un champ gravitationnel plus intense, tandis que le décalage vers le rouge dû à la gravité implique les conditions inverses.Type de décalage vers le rouge Géométrie Formules Doppler relativiste espace de Minkowski (espace-temps plat) Décalage vers le rouge cosmologique Espace-temps FLRW (univers en expansion du Big Bang) Décalage gravitationnel vers le rouge Tout espace-temps stationnaire En fonction de la longueur d'onde En fonction de la fréquence
Observations en astronomie
Le décalage vers le rouge observé en astronomie peut être mesuré car les spectres d'émission et d'absorption des atomes sont caractéristiques et bien connus, calibrés grâce à des expériences spectroscopiques réalisées en laboratoire sur Terre. Lorsque l'on mesure les décalages vers le rouge de différentes raies d'absorption et d'émission d'un même objet astronomique, on constate que mouvement thermique ou mécanique de la source. Pour ces raisons, et d'autres encore, les astronomes s'accordent à dire que les décalages vers le rouge observés résultent d'une combinaison des trois formes établies de décalage vers le rouge de type Doppler.
La spectroscopie, en tant que méthode de mesure, est considérablement plus complexe que la photométrie simple , qui mesure la luminosité des objets astronomiques à travers certains filtres . Lorsque seules des données photométriques sont disponibles (par exemple, pour le champ profond de Hubble et le champ ultra-profond de Hubble ), les astronomes utilisent une technique de mesure des décalages vers le rouge photométriques . En raison des larges gammes de longueurs d'onde des filtres photométriques et des hypothèses nécessaires concernant la nature du spectre de la source lumineuse, les erreurs pour ce type de mesures peuvent atteindre infrarouge (1000 nm) plutôt que dans la gamme bleu-vert (500 nm) associée au pic de son spectre de corps noir , et l'intensité lumineuse serait réduite d'un facteur quatre dans le filtre, la correction K pour plus de détails sur les conséquences photométriques du décalage vers le rouge.)
La détermination du décalage vers le rouge d'un objet par spectroscopie nécessite la connaissance de la longueur d'onde de la lumière émise dans le référentiel de la source. Les applications astronomiques reposent sur des raies spectrales distinctes. Les décalages vers le rouge ne peuvent être calculés en observant des caractéristiques non identifiées dont la fréquence dans le référentiel de la source est inconnue, ni avec un spectre sans caractéristiques ou constitué de bruit blanc (fluctuations aléatoires dans un spectre). Ainsi, les sursauts gamma eux-mêmes ne peuvent être utilisés pour des mesures fiables de décalage vers le rouge, mais la rémanence optique associée au sursaut peut être analysée pour déterminer les décalages vers le rouge.
Observations locales
Dans les objets proches (au sein de notre galaxie, la Voie lactée ), les décalages vers le rouge observés sont presque toujours liés aux vitesses radiales associées aux objets observés. L'observation de ces décalages vers le rouge et vers le bleu permet aux astronomes de mesurer les vitesses et de paramétrer les masses des étoiles orbitant autour d'autres étoiles binaires spectroscopiques . De même, les faibles décalages vers le rouge et vers le bleu détectés dans les mesures spectroscopiques d'étoiles individuelles constituent un moyen pour les astronomes de diagnostiquer et de mesurer la présence et les caractéristiques des systèmes planétaires autour d'autres étoiles. Ils ont même réalisé des mesures différentielles très précises des décalages vers le rouge lors des transits planétaires afin de déterminer des paramètres orbitaux précis. Certaines approches permettent de suivre simultanément les variations de décalage vers le rouge de plusieurs objets.
En héliosismologie, des mesures très précises du décalage vers le rouge permettent de déterminer les mouvements exacts de la photosphère solaire . Ce décalage a également servi aux premières mesures des vitesses de rotation des planètes , des vitesses des nuages interstellaires , de la rotation des galaxies [ et de la dynamique d' accrétion sur les étoiles à neutrons et les trous noirs , qui présentent à la fois un décalage vers le rouge par effet Doppler et par effet gravitationnel . La température de divers objets émetteurs et absorbants peut être obtenue en mesurant l'élargissement Doppler c'est-à-dire les décalages vers le rouge et vers le bleu d'une raie d'émission ou d'absorption . En mesurant l'élargissement et les décalages de la raie d'hydrogène à 21 centimètres dans différentes directions, les astronomes ont pu déterminer les vitesses de récession du gaz interstellaire , révélant ainsi la courbe de rotation de notre Voie lactée. Des mesures similaires ont été effectuées sur d'autres galaxies, comme Andromède .
Observations extragalactiques
Les objets les plus éloignés présentent des décalages vers le rouge plus importants, correspondant au flux de Hubble de l' univers . Le décalage vers le rouge le plus important observé, correspondant à la plus grande distance et à l'époque la plus reculée, est celui du rayonnement de fond diffus cosmologique ; sa valeur numérique est d'environ Big Bang .
Les noyaux lumineux ponctuels des quasars ont été les premiers objets à « décalage vers le rouge élevé » ( 0.1"}},"i":0}}] z > 0,1 ) découverts avant que l'amélioration des télescopes ne permette la découverte d'autres galaxies à décalage vers le rouge élevé.
Pour les galaxies plus éloignées que le Groupe local et l' amas de la Vierge , mais situées à environ mille mégaparsecs , le décalage vers le rouge est approximativement proportionnel à la distance de la galaxie. Cette corrélation, observée pour la première fois par Edwin Hubble , est connue sous le nom de loi de Hubble . Vesto Slipher fut le premier à découvrir les décalages vers le rouge galactiques, vers 1912, tandis que Hubble corréla les mesures de Slipher avec des distances mesurées par d'autres moyens pour formuler sa loi. Comme la luminosité des objets est généralement inconnue , la mesure du décalage vers le rouge est plus simple que la mesure directe des distances ; ainsi, en pratique, le décalage vers le rouge est parfois converti en une mesure approximative de la distance à l'aide de la loi de Hubble.
Les interactions gravitationnelles entre les galaxies et les amas induisent une dispersion significative sur le diagramme de Hubble. Les vitesses particulières associées aux galaxies projettent une trace approximative de la masse des objets virialisés dans l'Univers. Cet effet explique des phénomènes tels que le décalage vers le bleu des galaxies proches (comme la galaxie d'Andromède ) lorsqu'on se rapproche d'un barycentre commun , et l'apparition d'un effet de « doigts de Dieu » sur les cartes de décalage vers le rouge des amas , dû à la dispersion des vitesses particulières selon une distribution approximativement sphérique. Ces distorsions de l'espace des décalages vers le rouge peuvent servir de sonde cosmologique à part entière, fournissant des informations sur la formation des structures dans l'Univers et sur le comportement de la gravité à grande échelle.
La relation linéaire entre la distance et le décalage vers le rouge, établie par la loi de Hubble, suppose un taux d'expansion constant de l'Univers. Or, lorsque l'Univers était beaucoup plus jeune, ce taux, et donc la « constante » de Hubble, était supérieur à sa valeur actuelle. Pour les galaxies plus lointaines, dont la lumière nous parvient depuis bien plus longtemps, l'approximation d'un taux d'expansion constant n'est plus valable, et la loi de Hubble devient une relation intégrale non linéaire, dépendant de l'évolution du taux d'expansion depuis l'émission de la lumière par la galaxie considérée. Les observations de la relation décalage vers le rouge-distance permettent ainsi de déterminer l'histoire de l'expansion de l'Univers et, par conséquent, son contenu en matière et en énergie.
On a longtemps cru que le taux d'expansion diminuait continuellement depuis le Big Bang, mais les observations de la relation décalage vers le rouge-distance à partir de 1988 à l'aide de supernovae de type Ia ont suggéré que, dans des temps relativement récents, le taux d'expansion de l'univers a commencé à s'accélérer .
Décalages vers le rouge les plus élevés
Les records du plus grand décalage vers le rouge observé ont été établis et battus à maintes reprises au fur et à mesure des progrès des technologies d'observation. Les décalages vers le rouge les plus fiables sont obtenus par l'observation des raies spectrales . Parmi les galaxies ayant détenu le record du plus grand décalage vers le rouge spectroscopique figurent GN-z11 avec un décalage vers le rouge de JADES-GS-z14-0 à MoM-z14 à Les décalages vers le rouge induits par la discontinuité de Lyman sont légèrement moins fiables , comme celui de la galaxie lentillée A1689-zD1 à Le sursaut gamma le plus distant observé avec une mesure spectroscopique de son décalage vers le rouge est GRB 090423 , à UHZ1 , se situe à ILT J2336+1842 , se situe à monoxyde de carbone ) a été détectée jusqu'à des sources astronomiques de rayonnement qui émettent de l'énergie dans le rouge et le proche infrarouge du spectre électromagnétique. Il peut s'agir de galaxies à sursauts de formation d'étoiles présentant un décalage vers le rouge élevé, accompagné d'un rougissement dû à la poussière interstellaire, ou de galaxies elliptiques fortement décalées vers le rouge et abritant une population stellaire plus âgée (et donc plus rouge). Les objets encore plus rouges que les OER sont appelés objets hyper-extrêmement rouges (OHER).
En juin 2015, des astronomes ont rapporté la présence d' étoiles de Population III dans la galaxie Cosmos Redshift 7 à éléments chimiques plus lourds que l'hydrogène , nécessaires à la formation ultérieure des planètes et à l'apparition de la vie telle que nous la connaissons.
Néanmoins, les sources reliques présentent des décalages vers le rouge bien plus importants que même les objets astronomiques les plus éloignés observés. Le fond diffus cosmologique a un décalage vers le rouge de distance propre de plus de 46 milliards d'années-lumière. Ce décalage vers le rouge correspond à une diminution de la température moyenne de 3 000 K à 3 K. La première lumière, encore non observée, des étoiles de Population III les plus anciennes , émise peu après la formation des premiers atomes et la quasi-disparition du fond diffus cosmologique, pourrait présenter des décalages vers le rouge compris entre fond de neutrinos cosmiques environ deux secondes après le Big Bang (et un décalage vers le rouge supérieur à 10{{sup|10}}"}},"i":0}}] z > 10 10 ) et le fond d'ondes gravitationnelles cosmiques émis directement par l'inflation à un décalage vers le rouge supérieur à 10{{sup|25}}"}},"i":0}}] z > 10 25 .
relevés de décalage vers le rouge
Avec l'avènement des télescopes automatisés et les améliorations apportées aux spectroscopes , de nombreuses collaborations ont été mises en place pour cartographier l'Univers dans l'espace des décalages vers le rouge. En combinant les données de décalage vers le rouge et de position angulaire, un relevé de décalage vers le rouge permet de cartographier la distribution tridimensionnelle de la matière dans une région du ciel. Ces observations servent à mesurer les propriétés de la structure à grande échelle de l'Univers. Le Grand Mur , un vaste superamas de galaxies de plus de 500 millions d' années-lumière de large, offre un exemple spectaculaire de structure à grande échelle que les relevés de décalage vers le rouge peuvent détecter.
Le premier relevé de décalage vers le rouge fut le CfA Redshift Survey , lancé en 1977 et dont la collecte initiale de données s'est achevée en 1982. Plus récemment, le 2dF Galaxy Redshift Survey a déterminé la structure à grande échelle d'une région de l'Univers, en mesurant le décalage vers le rouge de plus de 220 000 galaxies ; la collecte de données s'est achevée en 2002 et l' ensemble final de données a été publié le 30 juin 2003. Le Sloan Digital Sky Survey (SDSS) a commencé à collecter des données en 1998 et a publié sa dix-huitième série de données en 2023. Le SSDS a mesuré des décalages vers le rouge de galaxies allant jusqu'à 0,8 et a enregistré plus de 100 000 quasars à DEEP2 Redshift Survey a utilisé les télescopes Keck avec le spectrographe « DEIMOS » . Suite au programme pilote DEEP1, DEEP2 a été conçu pour mesurer les galaxies faibles avec des décalages vers le rouge de 0,7 et plus, et il a enregistré les décalages vers le rouge de plus de 38 000 objets à sa conclusion en 2013.
Effets de l'optique physique ou du transfert radiatif
Les interactions et les phénomènes résumés dans les sections consacrées au transfert radiatif et à l'optique physique peuvent entraîner des décalages de longueur d'onde et de fréquence du rayonnement électromagnétique. Dans ce cas, ces décalages correspondent à un transfert d'énergie physique vers la matière ou d'autres photons, plutôt qu'à une transformation entre référentiels. Ces décalages peuvent résulter de phénomènes physiques tels que les effets de cohérence ou la diffusion du rayonnement électromagnétique par des particules élémentaires chargées , des particules en suspension ou des fluctuations de l' indice de réfraction dans un milieu diélectrique, comme c'est le cas pour le phénomène radio des sifflements électromagnétiques . Bien que ces phénomènes soient parfois désignés par les termes « décalage vers le rouge » et « décalage vers le bleu », en astrophysique, les interactions lumière-matière qui entraînent des décalages d'énergie dans le champ de rayonnement sont généralement appelées « rougissement » plutôt que « décalage vers le rouge », ce dernier terme étant normalement réservé aux effets mentionnés ci-dessus .
Dans de nombreuses circonstances, la diffusion provoque un rougissement du rayonnement car l'entropie entraîne la prédominance de nombreux photons de basse énergie sur quelques photons de haute énergie (tout en conservant l'énergie totale ) . Sauf éventuellement dans des conditions très contrôlées, la diffusion ne produit pas la même variation relative de longueur d'onde sur l'ensemble du spectre ; autrement dit, toute valeur fonction de la longueur d'onde. De plus, la diffusion par des milieux aléatoires se produit généralement sous de nombreux angles , et raies spectrales
En astronomie interstellaire , les spectres visibles peuvent apparaître plus rouges en raison de processus de diffusion, un phénomène appelé rougissement interstellaire De même, la diffusion Rayleigh provoque le rougissement atmosphérique du Soleil observé au lever et au coucher du soleil, et confère au reste du ciel une couleur bleue. Ce phénomène se distingue du décalage vers le rouge car les raies spectrales ne sont pas décalées vers d'autres longueurs d'onde dans les objets rougis ; de plus, un assombrissement et une distorsion supplémentaires sont associés au phénomène en raison de la diffusion des photons à l'intérieur et à l'extérieur de la ligne de visée .
Blueshift
Décalage vers le bleu Doppler
Le décalage vers le bleu par effet Doppler est causé par le mouvement d'une source vers l'observateur. Ce terme s'applique à toute diminution de la longueur d'onde et augmentation de la fréquence dues à un mouvement relatif, même en dehors du spectre visible . Seuls les objets se déplaçant à des vitesses proches de la vitesse relativiste vers l'observateur apparaissent sensiblement plus bleus à l' œil nu , mais la longueur d'onde de tout photon ou autre particule réfléchi ou émis est raccourcie dans la direction de son déplacement.
L'effet Doppler sur le décalage vers le bleu est utilisé en astronomie pour déterminer le mouvement relatif :
- La galaxie d'Andromède se déplace vers notre propre galaxie, la Voie lactée, au sein du Groupe local ; ainsi, lorsqu'elle est observée depuis la Terre, sa lumière subit un décalage vers le bleu.
- Les composantes d'un système d'étoiles binaires subiront un décalage vers le bleu lorsqu'elles se rapprocheront de la Terre.
- Lors de l'observation de galaxies spirales, le côté tournant vers nous aura un léger décalage vers le bleu par rapport au côté tournant dans la direction opposée à nous (voir la relation de Tully-Fisher ).
- Les blazars sont connus pour propulser des jets relativistes vers nous, émettant un rayonnement synchrotron et un bremsstrahlung qui apparaît décalé vers le bleu.
- Des étoiles proches, comme l'étoile de Barnard, se déplacent vers nous, ce qui entraîne un très léger décalage vers le bleu.
- Le décalage vers le bleu Doppler des objets distants avec un z élevé peut être soustrait du décalage vers le rouge cosmologique beaucoup plus grand pour déterminer le mouvement relatif dans l' univers en expansion .
Décalage vers le bleu gravitationnel
Contrairement au décalage vers le bleu relatif par effet Doppler, causé par le mouvement d'une source vers l'observateur et donc dépendant de l'angle de réception du photon, le décalage vers le bleu gravitationnel est absolu et ne dépend pas de l'angle de réception du photon :
Les photons qui s'échappent d'un objet en gravitation perdent de l'énergie. Cette perte d'énergie est appelée « décalage vers le rouge », car les photons du spectre visible apparaissent alors plus rouges. De même, les photons qui tombent dans un champ gravitationnel gagnent de l'énergie et subissent un décalage vers le bleu. Il est important de noter que l'amplitude du décalage vers le rouge (ou vers le bleu) ne dépend ni de l'angle d'émission ni de l'angle de réception du photon ; elle dépend uniquement de la distance radiale parcourue par le photon pour sortir (tomber) du puits de potentiel.
Il s'agit d'une conséquence naturelle de la conservation de l'énergie et de l'équivalence masse-énergie , confirmée expérimentalement en 1959 par l' expérience de Pound-Rebka . Le décalage vers le bleu gravitationnel contribue à l'anisotropie du fond diffus cosmologique (CMB) via l' effet Sachs-Wolfe : lorsqu'un puits gravitationnel évolue pendant le passage d'un photon, le décalage vers le bleu à l'approche diffère du décalage vers le rouge gravitationnel à la sortie de la région.
Valeurs aberrantes bleues
Il existe des galaxies actives très lointaines qui présentent un décalage vers le bleu de leurs raies d'émission [O III] . L'un des plus grands décalages vers le bleu est observé dans le quasar à raies étroites PG 1543+489 , dont la vitesse relative est de −1150 km/s. Ces galaxies sont qualifiées d'« aberrations bleues ».
Décalage vers le bleu cosmologique
Dans un univers hypothétique subissant une contraction Big Crunch incontrôlée , un décalage vers le bleu cosmologique serait observé, les galaxies plus éloignées étant de plus en plus décalées vers le bleu - exactement l'inverse du décalage vers le rouge cosmologique réellement observé dans l' univers en expansion actuel .