L'effet Doppler

S-4A-1 La vitesse de la lumière

Index

Le soleil

S-1. Lumière du soleil et terre

S-1A. Temps météo

S-1B. Climat global

S-2.Les couches du soleil

S-3.Le soleil magnétique

S-3A. Champs magnétiques
interplanétaires

S-4. Couleurs de la lumière du soleil

Facultatif : Effet Doppler

S-4A-1 Vitesse de la lumière

S-4A-2. Décalage de fréquence

S-4A-3 Galaxies en rotation
et matière sombre
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S-5.Ondes & Photons

Facultatif : Physique Quantique

Q1.Physique Quantique

Q2. Atomes

Q3. Niveaux d'énergie

Q4. Rayonnement des
objets chauds

Une propriété courante des ondes est le glissement de fréquence qu'elles subissent lorsque leur source s'approche ou s'éloigne. Au passage d'un train qui émet un coup de sifflet, l'auditeur situé au bord de la voie constate que la tonalité diminue après le passage du train.

   En fait, la tonalité est déjà au delà de sa note normale lorsque le train s'approche, et diminue en desous de cette normale lorsqu'il s'éloigne. Cette variation de la fréquence, valable aussi pour les ondes électromagnétiques comme la lumière ou la radio, est dénommée Effet Doppler, du nom de son découvreur, l'autrichien Christian Doppler, né en 1803.

  Antérieurement, un phénomène assez analogue avait été découvert par le danois Ole Roemer en 1676. L'histoire mérite d'être racontée parce qu'elle a conduit parallèlement à la première détermination de la vitesse de la lumière.

   A cette époque, les voiliers des nations maritimes – en particulier, France, Espagne, Grande-Bretagne et Pays Bas (Hollande) – se batttaient pour la domination des océans afin d'établir (et protéger) des itinéraires commerciaux et des bases éloignées. La technique était primordiale dans cette lutte : les commandants de bateaux devaient par tous les moyens connaître à tout instant leurs positions dans l'océan, c'est-à-dire leur latitude et longitude.

   C'était assez facile pour la Latitude qui était donnée par la hauteur du pôle céleste au-dessus de l'horizon, par exemple en considérant la position de l'étoile polaire ) ou, aussi, par la hauteur du soleil qui, lorsqu'elle est maximale par rapport à l' l'horizon ("midi solaire"), c.-à-d. atteint son plus grand angle d'avec l'horizon, donne la latitude (après ajustement au jour de l'année). Le bâton en croix, ou par la suite un instrument plus précis, le sextant marin (ou l'octant) permettait de "shooter le soleil," c.-à-d. de trouver son altitude au-dessus de l'horizon, et en combinant plusieurs observations synchronisées, de calculer sa plus grande hauteur pour le jour-dit.

   La Longitude était beaucoup plus difficile à déterminer.Elle exigeait la connaissance de l'heure à Greenwhich (longitude zéro) au même instant où le baton en croix ou le sextant déterminait le midi local par le soleil. Par exemple, si le soleil passait au midi local à 1 P.M. de Greenwich, le bateau était 15Ą à l'ouest de Greenwich, parce que

360°/24 heures = 15°

   Pour le savoir, le capitaine avait besoin d'une horloge qui restait précisement à l'heure pendant de nombreux mois : elle pouvait être préalablement réglée à Greenwich (ou par rapport au temps de Greenwich en un lieu de longitude connue), et être ultérieurement utilisée pour donner le " temps de Greenwich " lors du midi local. Ces horloges ( "chronomètres") ont en fait été développées au XVII siècle, mais les horloges du XVI éme n'étaient pas assez précises, particulièrement sur un bateau qui roule et tangue. Leurs erreurs s'accumulaient rapidement.

   Une horloge moins précise peut être utilisée si il est possible de la corriger constamment, en la remettant correctement au " temps de Greenwich ". C'est ce qui a été fait ultérieurement en utilisant les signaux de temps obtenus par radio, mais vers 1600 la meilleure des possibilités était offerte par le chronométrage exact de phénomènes célestes. Parmi ces phénomènes, il y avait les éclipses des quatre grandes lunes de Jupiter, découvertes par Galilée, et facilement observées même avec un petit télescope.

   En particulier, Io, la lune la plus proche de Jupiter, semblait fiable : comme elle est la plus proche de Jupiter, elle présente une orbite des plus rapides, en vertu de la 3ème loi de Kepler, ce qui lui permet d'avoir des éclipses particuliérement brèves. Avec une période orbitale de 1.77 jour, Io offre d'ailleurs un grand nombre d'éclipses, puisque chaque orbite croise l'ombre de Jupiter. (A l'époque des satellites, Io s'est avéré avoir d'autres particularités uniques, tels que des volcans de soufre.)

   Giovanni Domenico Cassini, un astronome italien directeur de l'observatoire de Paris, avait donc demandé à Roemer d'établir une table prévisionnelle des horaires des éclipses d'Io, pour que les marins puissent régler leurs horloges en mer (à une minute près, ce qui était considéré comme assez précis). Roemer le fit, mais constatat bientôt que la période n'était pas constante. Quand la terre (qui se déplace plus rapidement que Jupiter était proche de Jupiter, la période observée était plus courte, et quand elle en était éloignée, plus longue.

   Les éclipses se dérouleraient à intervalles réguliers, celle de la période orbitale de Io si la terre et Jupiter restaient à distance fixe. Mais si la terre se rapproche, le temps du trajet de la lumière se raccourcit, par rapport au cas ou la distance reste fixe. Quand la terre s'éloigne, le trajet est plus long, et aussi l'intervalle de temps entre les éclipses.

   Cela a convaincu Roemer que la lumière parcourt l'espace à une vitesse déterminée --plus tard notée c (lettre minuscule, non capitale). Cependant, ni lui ni ses contemporains n'avait seulement une vague idée de sa valeur, parce que les dimensions du système solaire étaient mal connues. A peu près en même temps, l'astronome français Jean Richer évalua au télescope la distance de Mars, puis progréssivement la valeur de c fut connue, de plus en plus exactement. Aujourd'hui on la connaît à 9 décimales près, et elle a été donc employée pour définir le mètre, l'unité de longueur, en remplaçement des longueurs d'onde optiques ou des marques sur une barre en métal maintenue en chambre forte (établies d'après une fraction de la circonférence de notre globe).

   Et le problème de la longitude ?

   Observer les éclipses de Io depuis un bateau en mouvement inintérompu s'est avéré une tâche difficile, même en mer calme. Le plus petit télescope amplifie énormément tous les mouvements, et par ailleurs les premiers télescopes ne montraient qu'une petite partie du ciel. De plus, la méthode exigeait un ciel exempt de nuages. Mais, cette méthode s'est avérée par ailleurs très utile dans la détermination de la longitude des ports, caps, îles et autres structures de la terre.

   La détermination pratique de la longitude d'un bateau en mouvement a dû attendre les horloges sophistiquées qui compensaient les variations de leur volant imputables aux variations de température. Un des premiers modèles de ces "chronomètres" a accompagné le Capitaine James Cook dans son voyage autour du monde.

Prochaine étape ,

(S-4A-2) Le glissement des fréquences et l'extension de l'univers.
où, aussi
(S-5) Ondes et Photons

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Auteur et conservateur : Dr. David P. Stern
Mail au Dr.Stern: stargaze("at" symbol)phy6.org .
Traduction : Dr Guy Batteur ---- mail : guybatteur("at" symbol)wanadoo.fr

Dernière mise à jour : 9 Décembre 2006