Mon ouvrage :
Structure et mécanique de l’atome
Est paru aux
Editions Bénévent
530 pages, 35€
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Le redshift
Le redshift ou décalage vers le rouge est une conséquence
de l’effet Doppler-Fizeau perceptible
lorsqu’une source de lumière et un observateur sont en mouvement
relativement l’un à l’autre. Il importe peu que ce soit la source ou
l’observateur qui soient en mouvement. Cet effet s’explique d’une façon simple.
Lorsqu’une source de lumière émet, l’émission est constituée de fronts
d’onde concentriques. Les fronts d’onde sont émis l’un après l’autre et
l’intervalle de temps qui sépare deux émissions est la période t. Il est
évident que si, une fois émis, les fronts se propagent à la vitesse c,
la distance qui sépare deux fronts successifs sera ct=l. C’est la longueur d’onde.
Si la source est en mouvement à la vitesse v dans une
certaine direction, les fronts d’onde ne seront plus concentriques. En effet,
les fronts d’onde une fois émis ne participent pas au mouvement de la source et
restent donc centrés sur le lieu d’émission. Si le lieu d’émission de chacun
des fronts s’est déplacé, au cours d’une période t de la distance vt,
le centre de chaque front d’onde sera lui aussi décalé de cette distance et
si tous les fronts se propagent dans l’espace à la même vitesse, la distance
entre deux fronts, dans la direction du mouvement de la source sera l=t(c-v) et dans la direction
opposée elle sera l=t(c+v). La vitesse de mouvement de la source et la célérité des fronts d’onde s’additionnent
ou se retranchent selon que l’on observe l’émission dans le sens du mouvement
de la source ou dans la direction opposée. D’une façon générale, la longueur
d’onde observable en fonction du mouvement de la source s’écrit : lobs = t(c-vcosj) où l’angle j est l’angle entre la
direction du mouvement de la source et la direction d’observation.
On voit immédiatement que la longueur d’onde de la lumière sera plus petite lorsque la source se dirige vers l’observateur et plus grande lorsqu’elle s’en éloigne.
Supposons que la source est fixe et que l’observateur soit en mouvement. Les fronts d’onde émis par la source sont maintenant parfaitement concentriques. La distance entre deux fronts successifs est toujours égale à la longueur d’onde l. Si l’observateur se déplace à la vitesse v dans une certaine direction, lorsqu’il s’approche de la source, il viendra à la rencontre des fronts d’onde et la distance apparente entre deux fronts sera pour lui : lobs =t(c-v) car sa vitesse est de signe inverse de celle de la propagation des fronts. S’il s’éloigne de la source, la longueur d’onde qui lui sera apparente devient lobs =t(c+v) car en s’éloignant de la source, il fuit devant les fronts d’onde qui auront donc plus de distance à parcourir pour lui parvenir. On peut également généraliser et poser que la longueur d’onde observable en fonction de la direction d’observation devient : lobs =t(c-vcosj). On retrouve ici le même résultat que lorsque la source était en mouvement et l’observateur immobile.
Enfin, on peut étudier le cas où la source et l’observateur sont tous deux en mouvement. C’est généralement le cas pour une source et un observateur liés à la surface de la terre, ou encore lorsque nous observons la lune ou le soleil. En effet, nous avons vu que les fronts d’onde ne participent pas au mouvement de la source. Une fois émis ils cheminent dans l’espace indépendamment du mouvement de la source. Le lieu d’émission de chaque front d’onde est donc fixe par rapport à un repère d’espace absolu. Ainsi, quelles que soient les idées que l’on peut se faire de la structure de l’espace, il nous faut convenir que les fronts d’onde se propagent dans et par rapport à l’espace absolu sans aucune liaison avec la matière qui s’y trouve et sans être influencés par les mouvements de cette matière.
Ainsi, lorsque la source et l’observateur sont en mouvement, plusieurs cas sont à considérer.
La source et l’observateur se déplacent à la
même vitesse et dans la même direction.
La source et l’observateur se déplacent dans
la même direction mais à des vitesses différentes.
La source et l’observateur se déplacent à des
vitesses et dans des directions différentes.
Nous nous bornerons ici à ne considérer que le premier cas. Les autres cas se déduisent de ce que nous avons étudié ci-dessus et leur examen plus approfondi serait sans intérêt pour ce qui nous préoccupe actuellement.
La source et l’observateur se déplacent à la même vitesse et dans la même direction. Autrement dit, ils sont au repos relativement l’un à l’autre. C’est le cas que nous rencontrons tous les jour lorsque nous nous éclairons ou que nous observons un objet (forcément) éclairé. A la surface de la terre, les objets que nous observons participent avec nous au mouvement que nous imposent les forces de gravitation.
Les fronts d’onde émis de la source en mouvement ne sont pas concentriques. La distance ou longueur d’onde entre deux fronts successifs est donnée par l=t(c-v) dans la direction du mouvement commun à la source et à l’observateur. Lorsque celui-ci observe la lumière émanant de la source, il s’éloigne en même temps du lieu d’émission à la même vitesse que se déplace la source si bien que les fronts d’onde devront parcourir une espace supplémentaire pour lui parvenir. Ce supplément d’espace est égal à la distance parcourue par l’observateur pendant le temps d’une période soit s=vt. Au total, la distance apparente entre deux fronts d’onde sera l=t(c-v)+vt= ct.
C’est à dire que la longueur d’onde observable lorsque la source et l’observateur sont au repos relatif est égale à la longueur d’onde émise. Il n’y a pas, dans ce cas, d’effet Doppler-Fizeau.
On peut vérifier qu’il en sera de même pour toutes les directions d’observation.
Nous avons vu que la propagation des fronts d'onde ne pouvait se faire que si ces fronts étaient parfaitement parallèles entre-eux et qu’ils avaient même mouvement angulaire. Ce qui suppose qu’ils émanent d’une même source ponctuelle, un atome ou une étoile lointaine par exemple.
Nous démontrons dans Structure et mécanique de l'atome que le mécanisme de propagation est une interaction électromagnétique entre les fronts d’onde dont la substance est de même nature que celle des électrons des atomes.
Ainsi, tant que la source émet des fronts d’onde, le dernier front émis pousse le front émis une période avant. Celui-ci va à sont tour pousser l’avant dernier front et ainsi de suite, tous les fronts seront poussés tant que l’émission perdure, tant que de nouveaux fronts prendront naissance autour de la source. Lorsque la source cesse d’émettre, le dernier front d’onde n’est plus poussé. Il interagit cependant encore avec le front qui est devant lui, car l’interaction électromagnétique persiste puisque la substance électrique des deux charges reste dans la même configuration. Seule la distance entre les deux fronts va varier.
Lorsque la source cesse d’émettre, le dernier front émis reste donc sur place. La distance entre le dernier et l’avant dernier front augmente. Il en sera de même de la distance entre tous les fronts d’onde qui ont été émis depuis le début de l’activité de la source. Cependant, le mouvement de propagation des fronts d’onde persiste indéfiniment car les fronts d’onde, une fois émis, sont indépendants du devenir et du mouvement de la source. La seule conséquence observable de l’extinction de la source est donc l’étirement du train de fronts d’onde. Si les premiers fronts d’onde émis se propagent toujours à la vitesse de la lumière et que le dernier front émis reste sur place, la longueur du train de fronts va augmenter alors que le nombre de fronts reste constant. C’est donc la distance entre les fronts qui va croître, c’est la longueur d’onde apparente qui va augmenter.
Pour être clair, il nous faut distinguer la vitesse de propagation de la vitesse de déplacement des fronts d’onde. En effet, les fronts d’onde se déplacent par mouvements accélérés. L’analyse du mécanisme de propagation montre que c’est le temps d’accélération des fronts d’onde qui augmente lorsque la distance d’interaction des fronts d’onde entre-eux augmente alors que la vitesse maximum reste constante. Les fronts d’onde se propagent par mouvements accélérés, alternativement dans la direction radiale et dans la direction transversale. Ces mouvements se font toujours à la vitesse c mais c’est la durée de l’accélération qui augmente lorsque la distance d’interaction augmente. Ce qui a pour conséquence que si les fronts se déplacent toujours à la célérité de la lumière, la vitesse de déplacement des fronts d’onde diminue avec l’étirement du train. Si le dernier front émis n’est plus poussé, sa vitesse est nulle, l’avant dernier front sera poussé plus tard qu’il ne l’aurait été si l’émission avait perduré, il se déplacera donc plus tard aussi, mais toujours avec la même vitesse de propagation des fronts d’onde. Seul le temps de parcours entre sa position initiale et sa nouvelle position a augmenté car la durée de la phase d’accélération est devenue plus grande du fait de l’augmentation de la distance d’interaction. Ainsi, la vitesse de déplacement des fronts d’onde diminue réellement et ce, d’autant plus vite que la distance à la source éteinte est petite alors que la vitesse de propagation des fronts d’onde reste constante.
Il ressort de cette analyse que le redshift qui résulte de l’extinction de la source est différent de celui qui est observé lorsque la source et l’observateur sont en mouvement relatif. Dans ce dernier cas, les fronts d’onde se propage toujours à la vitesse c alors que nous venons de voir que lorsque la source cesse d’émettre, la vitesse de déplacement des fronts d’onde diminue d’autant plus vite que la distance à la source est petite. N’en déplaise aux inconditionnels des postulats de la relativité !
Mais il est vrai que nous n’avons aucun moyen pour mesurer la vitesse de déplacement des fronts d’onde provenant d’une source lointaine. Ne connaissant pas la durée du parcours de ces fronts d’onde nous ne pouvons pas déterminer leur vitesse moyenne. Il existe cependant une expérience de vérification que nous exposerons à la fin de cet article.
Précisons que ce qui précède ne relève, contrairement à ce qui s’est fait en relativité, d’aucun postulat ad hoc. Seule les lois classiques de l’interaction coulombienne nous ont conduit à ces résultats. La démonstration du mécanisme de propagation n’aurait pas sa place ici et est disponible dans l’ouvrage déjà cité.
Ainsi, nous voyons que le redshift peut être provoqué par un
mécanisme totalement différent de celui de l’effet Doppler-Fizeau. Il peut être
observé lorsque la source et l’observateur sont au repos relatif. Il n’est donc
pas nécessaire d’invoquer l'expansion de l'univers pour expliquer les
observations de Hubble (l’astronome).
Lorsque nous observons une source très lointaine, une étoile ou une galaxie, par exemple, nous savons que les fronts d’onde qui nous parviennent maintenant ont été émis il y très longtemps et que les conditions actuelles de température de ces objets sont différentes des conditions qui régnaient aux moment de l’émission. Plus l’objet observé est éloigné et plus grandes sont les chances pour que la température de couleur de la lumière reçue soit différente de celle qui est émise en ce moment. Comme cette température détermine la longueur d’onde observable, il est vraisemblable que l’objet n’émet pas, aujourd’hui, une lumière de même longueur d’onde que celle que nous observons. Si ces longueurs d’onde sont maintenant plus grandes qu’elles ne l’étaient au temps de l’émission des fronts que nous percevons maintenant, le mécanisme de propagation va faire que les fronts d’onde ne seront plus poussés comme ils le seraient si les conditions actuelles étaient identiques aux conditions initiales.
Cependant, l’analyse de la lumière en provenance d’objets lointains est plus complexe encore. En effet, lorsqu’un train de fronts d’onde n’est plus poussé parce que la source cesse d’émettre des fronts d’une certaine longueur d’onde, elle ne s’éteint pas pour autant. Elle continuera à émettre des fronts d’une longueur d’onde différente. Ces fronts se propageront de la même façon que les premiers mais sans interférer avec eux. En particulier, le nouveau train de fronts d’onde se propagera plus vite que le train précédent, tout au moins dans la zone proche de la source. Par ailleurs, l’analyse que nous venons de faire ne concerne que le train de fronts d’onde d’une émission monochromatique, une émission d’une seule longueur d’onde. La réalité est bien différente, on sait que la lumière en provenance d’astres lointains est riche en couleurs. Elle comporte toujours un spectre varié de longueurs d’onde. Cependant, le mécanisme de propagation des fronts d’onde qui résulte de l’interaction électromagnétique et qui est exposé dans notre ouvrage montre que les fronts de longueurs d’onde différentes ne peuvent interagir entre-eux et se propagent dans l’espace sans interférer, c’est pourquoi, entre autre, nous percevons des images nettes alors que tous les fronts d’onde en provenance de toutes les directions de l’espace cheminent et se croisent partout et tout le temps.
La variation des longueurs d'onde qui résulte de l’extinction de la source se superpose à celle qui
résulte de l'effet Doppler-Fizeau dû à la vitesse d'éloignement éventuel de
l'astre, si bien que le décalage total vers le rouge est plus grand que celui
qui résulterait de la seule vitesse d'éloignement.
En tout état de cause, il sera toujours impossible que cet effet
provoque un décalage vers le bleu si l'étoile est en formation, en période d'accrétion,
à partir d'une masse de gaz diffus car, même si les fréquences du rayonnement
émis par l'étoile en formation augmentent, le simple fait que les émissions
antérieures ne perdurent pas arrête le processus de propagation.
Mais si l'étoile se rapprochait de nous au moment de l'émission
du rayonnement observé, il en aurait résulté un décalage vers le bleu qui, se
combinant avec le décalage vers le rouge que nous venons d'invoquer peut provoquer
un effet observable plus faible ou nul, voir même une résultante vers le bleu,
si la vitesse de rapprochement était grande et la distance petite. Le décalage vers le bleu par effet
Doppler-Fizeau se superposant à un décalage vers le rouge par effet de
l'extinction de la source, la résultante peut être nulle ou très faible et il
semble possible d'expliquer ainsi pourquoi, dans une même région, l'on observe
des objets ayant des décalages spectraux
très différents alors qu'ils ont vraisemblablement des mouvements
relatifs identiques dus à une expansion éventuelle uniforme de l'univers.
Vérification
expérimentale.
Pour vérifier la variation de la vitesse de
déplacement des fronts d’onde après l’extinction de la source, on peut utiliser
les réflecteurs placés à la surface de la lune.
En envoyant une émission monochromatique très
brève, à l’aide d’un laser et interrompue par un obturateur très rapide,
l’observation du train de fronts d’onde renvoyé vers la terre devrait permettre
de mesurer la durée de réception et la variation des fréquences initiales et
finales.
La comparaison de la durée de la période de
réception avec la durée de l’émission doit permettre de mesurer la vitesse de
retour des fronts d’onde. La durée de la période d’émission devrait être de
l’ordre de la durée du trajet terre/lune du faisceau soit environ 1 seconde.
Le faisceau réfléchi devra laisser
apparaître un étirement des longueurs pendant les dernières fractions
d’observation et une augmentation sensible du temps de retour de la totalité
du faisceau.
On utilisera
un obturateur très rapide pour interrompre le faisceau à l’émission de façon à
éviter que la variation de température qui résulterait de l’extinction du laser
ne conduise à émettre des fronts d’onde de longueurs d’onde différentes.
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d’accord avec ces textes, faites le moi savoir. Je serais heureux d’en débattre
avec vous. Vous pouvez me joindre : ebraw@wanadoo.fr
