Effet Doppler-Fizeau

Cette caractéristique des ondes émisent par des objets en mouvement intervient pratiquement tout le temps. Pourquoi ? C'est tout simplement parce que c'est pratiquement le seul moyen disponible pour conaître la vitesse d'une étoile, d'une galaxie, ou encore d'un jet de matière.

Vous n'y prêtez certainement plus attention, mais vous pourrez constater rapidement que les voitures ne font pas le même bruit selon si elles s'éloignent ou se rapprochent de vous. Dans le premier cas, le son aura tendance a être plus grave, tandis que dans l'autre cas, le son paraîtra plus aigue. Comment cela se fait-il donc ?   En fait, la réponse n'a rien de compliqué pourvu qu'on ne se pose pas trop de questions. Le son ne subit pas de réelle déformation, c'est simplement la façon dont il nous arrive qui simule une déformation.

Tout d'abord, il faut savoir que le son est une onde qui se propage dans l'air (c'est plus précisemment une vibration, c'est à dire une succession de zones compressées et noncompressées. Tout cela ressemble beaucoup au comprtement d'un ressort long que l'on agiterai lentement dans le sens de la longueur : les spires se serrent et s'écartent continuellement, et on voit clairement ce phénomène se propager d'une spire à l'autre). Imaginons une voiture à l'arrêt, mais dont le moteur tourne. Le son qu'il produit se propage autour d'elle sans subir la moindre modification en fréquence (la distance qui sépare deux endroits consécutifs contenant de l'air compressée reste constante sur tout le trajet de l'onde). On entends alors un bruit de moteur, ce qui est normal.

Notre voiture commence alors à se déplacer en s'approchant de nous. Observons ce qui se passe pour l'onde sonore émise. Une zone de compression se crée (qui précède une zone décompressée, etc.), et cette zone se déplace vers nous (il y en a au moins une, car sinon on entendrait pas la voiture). Pour le moment rien ne change par rapport au cas précédent. Sauf qu'au moment d'émettre une seconde zone compressée (c'est à dire la suite de l'onde), la voiture s'est déplacée vers nous (dans le même sens que l'onde). Cette seconde partie va alors partir au bon moment, mais d'un endroit plus proche de nous que l'endroit d'où est partie la précédente. En conséquence, les deux zones (et de même pour toutes les autres) sont plus rapprochées dans l'espace. On a ainsi une succession plus rapprochée de ces zones, ce qui correspond à un bruit dont la fréquence est plus élevée, donc a un bruit plus aigu. La voiture finit maintenant par nous dépasser, et s'éloigne maintenant de nous. Les deux crêtes émises (crêtes = zones) semblent maintenant plus éloignées les une des autres, la fréquence est plus faible, et le son est plus grave.

On voit ainsi qu'il est possible de calculer la vitesse de la source pour peu que l'on connaisse sa fréquence normale d'émission. Il suffit en effet de comparer la fréqence reçue et la fréquence normale de l'objet. C'est ça, l'effet Doppler.

Vous savez tous que la lumière est également une onde. Cette fois-ci, cela n'a rien de la propagation de zones de compression, mais l'explication reste la même. C'est Fizeau, un français , qui a généralisé l'effet Doppler aux signaux électromagnétiques (à la lumière quoi). On a ainsi un décalage vers le bleu de la lumière pour les objets se rapprochant de nous (tout comme une voiture qui s'approche émet un bruit décalé vers l'aigu), et vers le rouge lorsu'il s'éloigne (ou décalage vers le grave pour notre voiture).
 
Ainsi, la lumière d'un objet en mouvement se bleute ou se rougit selon sa vitesse relativement à un observateur. Seulement, cet effet n'est pas observable parce que la lumière se déplace très vite par rapport à nos pauvres moyens de locomotion. Le décalage est alors imperceptible pour l'oeil (ceci dit, certaines boîtes à images prennent un mal un plaisir à mesurer ce décalage pour nous flashouiller sur le bord de l'autoroute si celui-ci est trop grand!).

Dans le cas des étoiles et galaxies, on mesure le décalage (spectral) en observant les raies du spectre de l'objet. On mesure alors la différence entre la position observée et celle qu'elles ont normalement (déterminée en labo). Cette valeur ( en nanomètres généralement, c'est à dire 0,000000001 m. !), nous permet de déduire la vitesse de l'objet sur notre axe de visée (un déplacement latéral n'est pas détecté par cette méthode)