Décrypter les messages de la lumière pour mieux comprendre l'Univers

Depuis la nuit des temps, la lumière est notre principale source de renseignements sur l'Univers. Sa couleur nous indique la nature des phénomènes qui lui donnent naissance. À portée de main comme aux confins du cosmos.

Cet article est issu du magazine Les Indispensables de Sciences et Avenir n°209 daté avril/ juin 2022.

Qu'est-ce qu'une onde ?

La lumière - et toutes ses déclinaisons électromagnétiques - est un phénomène vibratoire. Elle est émise quand une particule chargée électriquement est accélérée. Contrairement aux ondes mécaniques, comme le son, qui ont besoin d'un support, l'onde électromagnétique peut voyager dans le vide, et ce toujours à la même vitesse de 299.792,5 km/s. Plus précisément, cette onde est formée de deux champs, électrique et magnétique, qui oscillent perpendiculairement entre eux, et perpendiculairement aussi à la direction de propagation (ici vers la droite). On la caractérise par une longueur - ou couleur, au sens large du terme -, qui est d'autant plus courte que la fréquence d'oscillation est élevée.

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Infographie : Bruno Bourgeois

Le décalage des fréquences, ou redshift

Avez-vous remarqué que le son d'une sirène qui s'approche de vous est plus aigu que lorsqu'elle s'éloigne ? Un phénomène similaire se produit avec les sources lumineuses en mouvement. Quand une source s'approche de nous, la couleur de son spectre est décalée vers le bleu par rapport à ce qu'on percevrait si la source était fixe par rapport à nous. Et si elle s'éloigne, on la perçoit plus "rouge" qu'elle ne l'est en réalité. C'est ce qu'on appelle le décalage vers le rouge, redshift en anglais. Il est amplifié par l'expansion de l'Univers, qui dilate les longueurs. C'est la mesure de ce décalage qui nous renseigne sur la distance des galaxies lointaines.

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Infographie : Bruno Bourgeois

Spectres d'émission et d'absorption

Les objets célestes rayonnent en différentes longueurs d'onde. La lumière d'une étoile se décompose, à travers un prisme, en ces différentes longueurs d'onde : ce spectre est continu. En revanche, si cette lumière traverse un nuage de gaz avant de nous parvenir, les atomes de gaz absorbent certaines longueurs d'onde : on observe un spectre d'absorption qui renseigne sur[...]

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