• 1912 : Vesto M. Slipher mesure la vitesse de la galaxie d'Andromède par rapport à la Voie Lactée grâce au red-shift
  • 1917 : V. Slipher montre que la plupart des galaxies s'éloignent de nous

Découverte de l'éloignement des galaxies

En 1912, Vesto Slipher mesure la vitesse de la galaxie Andromède par rapport à nous. Pour cela, il utilise la spectroscopie : en étudiant le spectre d'Andromède, il observe que certaines raies d'émission associées à des atomes bien connus sont légèrement déplacées. C'est le cas par exemple de la raie $H\alpha$ qui correspond à une transition électronique particulière dans l'atome d'hydrogène, qui émet à une longueur d'onde de 656,3 nm mais qui est observée à une longeur d'onde légèrement inférieure (un décalage d'un millième en valeur relative !). V. Slipher pense que cet écart est dû à l'effet Doppler : une onde émise par une source en mouvement est perçue à une longueur d'onde différente de la longueur d'onde d'émission. Il connait aussi la relation entre la vitesse radiale d'éloignement de la source et la différence de longueur d'onde : \begin{equation} v_{radiale} = \dfrac{\lambda_{rec} - \lambda_0}{\lambda_0} c \end{equation} Pour Andromède, il trouve une valeur d'environ -300 km/s ! Le signe moins indique qu'elle se rapproche de nous. Cette valeur est un peu surprenante : elle est un ordre de grandeur supérieur à la vitesse typique des étoiles et des nébuleuses planétaires dont on avait mesuré les spectres. Cela a une conséquence importante, puisque cette vitesse exclut que les galaxies soient fortement liées gravitationnellement à la nôtre. On comprend alors à ce moment que cela favorise l'hypothèse selon laquelle ces objets sont relativement indépendants et de même nature que la Voie Lactée. Il n'était en effet pas exclu à l'époque que ces galaxies qu'on appelait alors "spirales nébuleuses" ne fassent partie de la Voie Lactée.

Slipher continue ses observations sur les galaxies. En 1917, il a observé le spectre de 25 d'entre elles. Le résultat est étonnant : seules 4 parmi les 25 se rapprochent de nous. Toutes les autres s'éloignent ! Puisque la plupart des galaxies s'éloignent, les raies lumineuses (donc entre le rouge et le bleu) qu'elles émettent sont décalées vers des longueurs d'ondes plus grandes c'est-à-dire vers le rouge : on parle de décalage vers le rouge ou encore de redshift. Slipher trouve des vitesses dépassant 1000 km/s : il est clair que ces "spirales nébuleuses" sont des objets indépendants de notre galaxie, la Voie Lactée.

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Effet Doppler

L'effet Doppler caractérise le fait qu'un observateur en mouvement par rapport à une source émettant une onde perçoit celle-ci à une fréquence différente de la fréquence d'émission. Cet effet concerne aussi bien les ondes mécaniques comme les ondes sonores que les ondes électromagnétiques (donc la lumière). Si la source et l'observateur se rapprochent, la fréquence de réception est supérieure à la fréquence d'émission. Si au contraire la source s'éloigne de l'observateur, alors la fréquence du signal reçue est inférieure à celle perçue par la source.

Représentation graphique de l'effet Doppler.
Représentation graphique de l'effet Doppler.
Source : Wikipédia

Si la source émet un signal lumineux (donc à vitesse la $c$) et se déplace à une vitesse v constante par rapport à l'émetteur dirigée selon sa ligne de visée, alors on montre à l'aide des transformations de Lorentz que : \begin{equation} \nu_{rec} = \nu_0 \sqrt{\dfrac{1-\beta}{1+\beta}} \end{equation} Pour de petites vitesses, cette expression vaut environ $\nu_0 (1-v/c)$ et il est alors clair que si la vitesse est dirigée selon la ligne de visée, la source s'éloigne si $v$ est positif et dans ce cas il y a bien diminution de la fréquence apparente.

(La preuve est rapide à partir de la transformation de Lorentz)