Comment Redshift montre que l'univers se développe

Lorsque les observateurs regardent le ciel nocturne, ils voient la lumière. C'est une partie essentielle de l'univers qui a parcouru de grandes distances. Cette lumière, officiellement appelée "rayonnement électromagnétique", contient un trésor d'informations sur l'objet dont elle provient, allant de sa température à ses mouvements.

Les astronomes étudient la lumière dans une technique appelée "spectroscopie". Il leur permet de le disséquer jusqu'à ses longueurs d'onde pour créer ce qu'on appelle un "spectre". Entre autres, ils peuvent savoir si un objet s'éloigne de nous. Ils utilisent une propriété appelée "redshift" pour décrire le mouvement d'un objet s'éloignant les uns des autres dans l'espace.

Le décalage vers le rouge se produit lorsqu'un objet émettant un rayonnement électromagnétique s'éloigne d'un observateur. La lumière détectée apparaît "plus rouge" qu'elle ne devrait l'être car elle est décalée vers l'extrémité "rouge" du spectre. Redshift n'est pas quelque chose que n'importe qui peut «voir». C'est un effet que les astronomes mesurent dans la lumière en étudiant ses longueurs d'onde. 

Comment fonctionne Redshift

Un objet (généralement appelé "la source") émet ou absorbe le rayonnement électromagnétique d'une longueur d'onde ou d'un ensemble de longueurs d'onde spécifiques. La plupart des étoiles émettent une large gamme de lumière, du visible à l'infrarouge, aux ultraviolets, aux rayons X, etc..

Lorsque la source s'éloigne de l'observateur, la longueur d'onde semble "s'étirer" ou augmenter. Chaque pic est émis plus loin du pic précédent lorsque l'objet s'éloigne. De même, alors que la longueur d'onde augmente (devient plus rouge), la fréquence, et donc l'énergie, diminue.

Plus l'objet recule rapidement, plus son décalage vers le rouge est important. Ce phénomène est dû à l'effet doppler. Les gens sur Terre connaissent le changement Doppler de manière assez pratique. Par exemple, certaines des applications les plus courantes de l'effet doppler (redshift et blueshift) sont les pistolets radar de police. Ils font rebondir les signaux d'un véhicule et la quantité de décalage vers le rouge ou de décalage vers le bleu indique à un officier à quelle vitesse cela va. Le radar météorologique Doppler indique aux prévisionnistes à quelle vitesse un système de tempête se déplace. L'utilisation des techniques Doppler en astronomie suit les mêmes principes, mais au lieu de la billetterie des galaxies, les astronomes l'utilisent pour en savoir plus sur leurs mouvements. 

La façon dont les astronomes déterminent le décalage vers le rouge (et le décalage vers le bleu) consiste à utiliser un instrument appelé spectrographe (ou spectromètre) pour regarder la lumière émise par un objet. De minuscules différences dans les raies spectrales montrent un décalage vers le rouge (pour le redshift) ou le bleu (pour le blueshift). Si les différences montrent un décalage vers le rouge, cela signifie que l'objet s'éloigne. S'ils sont bleus, alors l'objet approche.

L'expansion de l'univers

Au début des années 1900, les astronomes pensaient que l'univers entier était enfermé dans notre propre galaxie, la Voie lactée. Cependant, des mesures faites sur d'autres galaxies, que l'on pensait être simplement des nébuleuses à l'intérieur de la nôtre, ont montré qu'elles étaient vraiment à l'extérieur de la Voie lactée. Cette découverte a été faite par l'astronome Edwin P. Hubble, basée sur des mesures d'étoiles variables par un autre astronome nommé Henrietta Leavitt. 

De plus, des décalages vers le rouge (et dans certains cas des décalages vers le bleu) ont été mesurés pour ces galaxies, ainsi que leurs distances. Hubble a fait la découverte surprenante que plus une galaxie est éloignée, plus son décalage vers le rouge nous apparaît. Cette corrélation est maintenant connue sous le nom de loi de Hubble. Il aide les astronomes à définir l'expansion de l'univers. Cela montre également que plus les objets éloignés sont loin de nous, plus ils s'éloignent rapidement. (Ceci est vrai au sens large, il y a des galaxies locales, par exemple, qui se déplacent vers nous en raison du mouvement de notre "groupe local".) Pour la plupart, les objets de l'univers s'éloignent les uns des autres et ce mouvement peut être mesuré en analysant leurs décalages vers le rouge.

Autres utilisations du décalage vers le rouge en astronomie

Les astronomes peuvent utiliser le redshift pour déterminer le mouvement de la Voie lactée. Ils le font en mesurant le déplacement Doppler des objets dans notre galaxie. Cette information révèle comment les autres étoiles et nébuleuses se déplacent par rapport à la Terre. Ils peuvent également mesurer le mouvement de galaxies très éloignées - appelées "galaxies à grand décalage vers le rouge". Il s'agit d'un domaine de l'astronomie en pleine croissance. Il se concentre non seulement sur les galaxies, mais aussi sur d'autres autres objets, tels que les sources de sursauts gamma.

Ces objets ont un décalage vers le rouge très élevé, ce qui signifie qu'ils s'éloignent de nous à des vitesses extrêmement élevées. Les astronomes attribuent la lettre z pour redshift. Cela explique pourquoi parfois une histoire sortira qui dit qu'une galaxie a un décalage vers le rouge de z= 1 ou quelque chose comme ça. Les premières époques de l'univers se situent à un z d'environ 100. Ainsi, redshift donne également aux astronomes un moyen de comprendre à quelle distance les choses sont en plus de la vitesse à laquelle elles se déplacent. 

L'étude d'objets éloignés donne également aux astronomes un instantané de l'état de l'univers il y a environ 13,7 milliards d'années. C'est à ce moment que l'histoire cosmique a commencé avec le Big Bang. L'univers semble non seulement s'étendre depuis cette époque, mais son expansion s'accélère également. La source de cet effet est énergie noire, une partie mal connue de l'univers. Les astronomes utilisant le décalage vers le rouge pour mesurer les (grandes) distances cosmologiques constatent que l'accélération n'a pas toujours été la même tout au long de l'histoire cosmique. La raison de ce changement n'est pas encore connue et cet effet de l'énergie sombre reste un domaine d'étude fascinant en cosmologie (l'étude de l'origine et de l'évolution de l'univers.)

Sous la direction de Carolyn Collins Petersen.