Quand les astronomes fixent l’univers profond ou les spectres d’une étoile lointaine cachant subtilement une exoplanète, ils doivent rendre compte de son mouvement. Cela repose sur deux phénomènes – redshift et blueshift.
Lorsque les objets s’éloignent de nous, leur lumière est décalée vers des longueurs d’onde plus longues ou vers l’extrémité rouge du spectre – c’est le décalage vers le rouge. Blueshift est le contraire, lorsque la lumière est décalée vers des longueurs d’onde plus courtes du côté bleu du spectre lorsqu’un objet vient vers nous. Ceux-ci donnent des indices essentiels sur des choses comme la distance – et lorsque vous regardez une galaxie lointaine, cela vous permet de savoir à quel point vous êtes proche de regarder l’aube des temps. Ceci est important pour des télescopes comme le télescope spatial James Webb, que ses parties prenantes ont chargé de se renseigner sur les premières galaxies de l’univers naissant.
Pour en savoir plus sur le décalage vers le rouge et le décalage vers le bleu, Inverse s’est entretenu avec Salvatore Vitale, professeur adjoint de physique au Massachusetts Institute of Technology. Vitale analyse les données sur les ondes gravitationnelles (ondulations dans l’espace-temps) cartographiées par l’Observatoire des ondes gravitationnelles de l’interféromètre laser (LIGO) à la suite d’événements énormes comme les fusions de trous noirs. Les physiciens de LIGO travaillent avec des astrophysiciens pour tracer la distance aux ondes gravitationnelles qu’ils mesurent en utilisant le décalage vers le rouge et le décalage vers le bleu – en s’appuyant sur plusieurs chemins pour comprendre la fusion de certaines des forces les plus puissantes de l’univers.
Comprendre le blueshift et le redshift
Alors que le décalage vers le rouge et le décalage vers le bleu semblent ésotériques, Vitale a déclaré que nous en faisons l’expérience dans la vie quotidienne avec les sirènes des ambulances et des voitures de police. Le son et la lumière sont associés à des ondes, donc l’analogie fonctionne : “Le son a une distance différente à parcourir lorsque la voiture vient vers vous, au lieu de s’éloigner de vous”, explique Vitale. Inverse.
À l’approche de la sirène, le son augmente en fréquence et à mesure qu’il s’éloigne, le son diminue en fréquence. Ceci est plus connu sous le nom d’effet Doppler, qui est la différence apparente entre la fréquence des ondes qu’un observateur subit par rapport à la source des ondes. La différence de mouvement entre l’observateur et la source des ondes crée cet effet.
Lors de la visualisation d’objets à la lumière visible, il a ajouté: “L’univers a été gentil avec nous.” Les atomes ont toujours des taux de fréquence caractéristiques, ce qui signifie que nous pouvons dire (par exemple) exactement à quelle fréquence l’hydrogène dans les étoiles devrait être dans un laboratoire. Donc si l’hydrogène observé dans un système stellaire a une fréquence plus basse, le système stellaire s’éloigne, et vice versa.
Redshift et l’expansion de l’univers
Habituellement, le décalage vers le rouge est discuté lorsqu’on parle de l’expansion de l’univers. Un événement survenu il y a 13,8 milliards d’années, surnommé le Big Bang, a provoqué l’inflation et l’expansion rapides de l’espace-temps. Les astronomes voient encore les échos de ce Big Bang, car les objets de l’univers s’éloignent tous les uns des autres, subissant ainsi un certain degré de décalage vers le rouge.
Les objets les plus éloignés ont le redshift le plus élevé. Nous savons que l’univers accélère grâce à la mesure du décalage vers le rouge d’un type particulier d’explosion d’étoiles (supernovas), appelé Ias. Les astronomes ont surnommé ces types de supernovas “bougies standard” car elles ont une luminosité constante. Puisque nous connaissons la luminosité inhérente de ces supernovas, nous pouvons alors tracer leur luminosité en association avec la distance.
La surprise est venue en 1998, lorsque les astronomes ont annoncé que les supernovas reculaient beaucoup plus rapidement que prévu. Avant cela, les astronomes supposaient que l’univers se développait à un rythme constant. Cela a conduit à la réalisation que l’univers s’accélère à mesure qu’il se développe, sur la base de deux études indépendantes de supernovas impliquant le télescope spatial Hubble et de nombreux autres observatoires pour s’assurer qu’ils voyaient les choses correctement.
La raison pour laquelle l’univers accélère au fur et à mesure est sujette à débat, mais l’hypothèse principale est une force théorique appelée «énergie noire». Les astronomes ont appelé l’énergie “sombre” parce que nous ne pouvons pas la sentir avec nos instruments télescopiques conventionnels qui regardent les formes d’onde de la lumière. Mais nous pouvons mesurer l’effet de l’énergie, car nous pouvons voir que l’expansion de l’univers s’accélère.
Bien que nous ne puissions pas déterminer pourquoi l’accélération se produit, la découverte de ce phénomène a donné aux équipes de découverte un prix Nobel en 2011.
Alors que le télescope spatial James Webb se prépare pour la première lumière, les astronomes sont particulièrement enthousiastes à l’idée d’utiliser ses capacités infrarouges pour regarder l’univers primitif sur des objets à décalage vers le rouge élevé, ceux qui viendront peu après une période appelée l’époque de la réionisation – où le premières galaxies ont donné à l’univers un éclat transparent.
LIGO et redshift
LIGO est un réseau de télescopes de la taille d’une planète qui cartographie d’énormes événements dans l’espace-temps et qui s’appuie également sur des mesures de décalage vers le rouge. En octobre 2017, les astronomes ont fait la première détection confirmée d’ondes gravitationnelles. Ils ont vu l’effet de deux étoiles à neutrons qui s’écrasent – ou les restes denses d’étoiles de la taille d’une ville laissés après les explosions de supernova.
Bien que l’aspect des ondes gravitationnelles de la découverte initiale reçoive le plus d’attention, ce qui est également important pour les astronomes, c’est qu’ils ont cartographié cet événement en ondes lumineuses visibles, explique Vitale. Pour le même événement, a-t-il dit, “vous pouvez utiliser la lumière de la source pour obtenir le décalage vers le rouge, et vous pouvez utiliser les ondes gravitationnelles de la source pour obtenir la distance”. Pour cet événement et d’autres ondes gravitationnelles, en d’autres termes, nous devons utiliser le décalage vers le rouge pour comprendre la distance.
Comment mesure-t-on cette distance ? Cela remonte aux équations d’Albert Einstein de 1916, lorsque sa théorie de la relativité générale expliquait comment des objets massifs comme ces collisions d’étoiles à neutrons pouvaient déformer le tissu de l’espace-temps. Les superordinateurs des années 1990 ont finalement permis aux chercheurs de cartographier précisément ces distorsions. Les astronomes ont pu modéliser les équations de champ prédites par Einstein.
Aujourd’hui, il est courant pour les scientifiques des ondes gravitationnelles de modéliser différents types de fusions (comme entre étoiles à neutrons ou entre trous noirs) à différentes distances. Ensuite, lorsque ces événements sont observés dans le monde réel, ils ont des « formes d’onde » ou des modèles de longueurs d’onde qu’ils peuvent utiliser pour faire correspondre ce qu’ils voient avec la distance prévue. C’est ce qui s’est passé avec succès en 2017.
La distance et le décalage vers le rouge permettent ainsi aux astronomes de mesurer l’expansion de l’univers, ce qui est la raison profonde pour laquelle cet événement d’onde gravitationnelle était si significatif que les équipes ont reçu un prix Nobel pour leur travail.