La Nature des Connaissances Scientifiques

Décalage vers le rouge et l’effet Doppler

À peu près au même moment, un physicien autrichien du nom de Christian Doppler étudiait l’astronomie et les mathématiques. Doppler savait que la lumière se comportait comme une onde et a donc commencé à réfléchir à la façon dont le mouvement des étoiles pouvait affecter la lumière émise par ces étoiles. Dans un article publié en 1842, Doppler a proposé que la fréquence observée d’une onde dépendrait de la vitesse relative de la source de l’onde par rapport à l’observateur, un phénomène qu’il a appelé un « décalage de fréquence » (Doppler, 1842). Il a fait une analogie avec un navire à la voile sur l’océan, décrivant comment le navire rencontrerait des vagues à la surface de l’eau à une vitesse plus rapide (et donc à une fréquence plus élevée) s’il naviguait dans les vagues que s’il voyageait dans la même direction que les vagues.

Vous connaissez peut-être le décalage de fréquence, que nous appelons maintenant l’effet Doppler en son honneur, si vous avez déjà écouté le son de la circulation en vous tenant sur le bord de la route. Le changement de hauteur de haut en bas familier est un exemple de l’effet – la fréquence réelle des ondes émises ne change pas, mais la vitesse du véhicule qui passe affecte la rapidité avec laquelle ces ondes vous atteignent. Doppler a proposé que nous verrions le même effet sur toutes les étoiles qui se déplaçaient: Leur couleur se déplacerait vers l’extrémité rouge du spectre s’ils s’éloignaient de la Terre (décalage vers le rouge) et vers l’extrémité bleue du spectre s’ils se rapprochaient (décalage vers le bleu) (voir Figure 4). Il s’attendait à pouvoir voir ce décalage dans les étoiles binaires, ou des paires d’étoiles qui orbitent les unes autour des autres. Finalement, l’article de 1842 de Doppler, intitulé « Sur la lumière colorée des étoiles doubles et de certaines autres étoiles du ciel », changerait la façon même dont nous regardons l’univers. Cependant, à l’époque, les télescopes n’étaient pas assez sensibles pour confirmer le changement qu’il proposait.

Les idées de Doppler sont devenues une partie de la littérature scientifique et, par ce biais, sont devenues connues d’autres scientifiques. Au début des années 1900, la technologie a finalement rattrapé le Doppler et des télescopes plus puissants ont pu être utilisés pour tester ses idées. En septembre 1901, un Américain nommé Vesto Slipher venait de terminer son diplôme de premier cycle en mécanique et en astronomie à l’Université de l’Indiana. Il a obtenu un emploi d’assistant temporaire à l’Observatoire Lowell à Flagstaff, en Arizona, tout en poursuivant ses études supérieures à l’Indiana. Peu de temps après son arrivée, l’observatoire a obtenu un spectrographe à trois prismes, et le travail de Slipher était de le monter sur le télescope de 24 pouces de l’observatoire et d’apprendre à l’utiliser pour étudier la rotation des planètes dans le système solaire. Après quelques mois de problèmes et de dépannage, Slipher a pu prendre des spectrogrammes de Mars, Jupiter et Saturne. Mais les intérêts de recherche personnels de Slipher étaient beaucoup plus éloignés que les planètes du système solaire. Comme Doppler, il s’intéressait à l’étude des spectres des étoiles binaires, et il a commencé à le faire pendant son temps libre à l’observatoire.

Au cours de la décennie suivante, Slipher a obtenu une maîtrise et un doctorat à l’Université de l’Indiana, tout en poursuivant ses travaux à l’Observatoire Lowell pour mesurer les spectres et le décalage Doppler des étoiles. En particulier, Slipher a concentré son attention sur les étoiles dans les nébuleuses spirales (Figure 5), s’attendant à constater que le décalage observé dans les spectres des étoiles indiquerait que les galaxies auxquelles ces étoiles appartenaient tournaient. En effet, il est crédité d’avoir déterminé que les galaxies tournent, et a pu déterminer les vitesses auxquelles elles tournent. Mais en 1914, après avoir étudié 15 nébuleuses différentes, il annonça une curieuse découverte lors d’une réunion de l’American Astronomical Society en août :

Dans la grande majorité des cas, les nébuleuses reculent; les plus grandes vitesses sont toutes positives…La prépondérance frappante du signe positif indique une fuite générale de nous ou de la Voie Lactée.

Slipher avait découvert que la plupart des galaxies présentaient un décalage vers le rouge dans leur spectre, indiquant qu’elles s’éloignaient toutes de nous dans l’espace ou qu’elles reculaient (Slipher, 1915). En mesurant l’ampleur du décalage vers le rouge, il a pu déterminer la vitesse de récession ou la vitesse à laquelle les objets « fuyaient. »Slipher avait fait une interprétation de ses observations qui mettait une nouvelle perspective sur l’univers, et en réponse, il a reçu une ovation debout pour sa présentation.

Slipher a poursuivi ses travaux sur le décalage vers le rouge et les galaxies et a publié un autre article en 1917, après avoir examiné 25 nébuleuses et vu un décalage vers le rouge dans 21 d’entre elles. Georges Lemaître, physicien et astronome belge, s’est appuyé sur les travaux de Slipher alors qu’il terminait son doctorat au Massachusetts Institute of Technology. Il étendit les mesures de Slipher à l’univers entier et calcula mathématiquement que l’univers devait être en expansion afin d’expliquer l’observation de Slipher. Il publia ses idées dans un article de 1927 intitulé « Un univers homogène de masse constante et de rayon croissant tenant compte de la vitesse radiale des nébuleuses extragalactiques » (Lemaître, 1927), mais son article rencontra de nombreuses critiques de la communauté scientifique. L’astronome anglais Fred Hoyle a ridiculisé l’œuvre et a inventé le terme théorie du « Big Bang » comme surnom désobligeant pour l’idée de Lemaître. Et nul autre qu’Albert Einstein a critiqué Lemaître, lui écrivant « Vos mathématiques sont correctes, mais votre physique est abominable » (Deprit, 1984).

La critique d’Einstein avait une composante personnelle et culturelle, deux choses que nous négligeons souvent en termes d’influence sur la science. Quelques années plus tôt, Einstein avait publié sa théorie générale de la relativité (Einstein, 1916). En formulant la théorie, Einstein avait rencontré un problème important: la relativité générale prédisait que l’univers devait se contracter ou se développer – elle ne permettait pas un univers statique. Mais un univers contractant ou en expansion ne pouvait pas être éternel, alors qu’un univers statique et non mouvant le pouvait, et la croyance culturelle dominante à l’époque était que l’univers était éternel. Einstein a été fortement influencé par son environnement culturel. En conséquence, il a inventé un « facteur de fudge », qu’il a appelé la constante cosmologique, qui permettrait à la théorie de la relativité générale d’être cohérente avec un univers statique. Mais la science n’est pas une démocratie ou une ploutocratie; ce n’est ni la conclusion la plus courante ni la plus populaire qui est acceptée, mais plutôt la conclusion qui résiste à l’épreuve de la preuve au fil du temps. La constante cosmologique d’Einstein était contestée par de nouvelles preuves.