Redshift

[Soadfan]

Bonjour à tous !

Depuis quelques temps je m'intéresse pas mal à la relativité restreinte et générale, j'essaye tant bien que mal de comprendre le plus possible.

Une des choses que je comprend mal est le redshift (ou le blueshift en fait) sous tous ses aspects:

1) Du à l'éloignement des objets: D'après ce que j'ai lu, dans le cadre de la relativité, on a un effet symétrique; les deux objets qui s'éloignent voient l'autre décalé vers le rouge. Mais ce que je ne comprend pas, c'est que on a démontré que la vitesse de la lumière ne variait pas selon le référentiel, donc peu importe la vitesse des objets.. contrairement à une onde sonore par exemple.. Et si dans le cadre d'une onde électromagnétique, la vitesse n'intervient pas, c'est que l'effet doppler provient de la dilatation du temps et de la contraction des longueurs, mais là je peine à comprendre parfaitement ce qui fait que ces deux effets engendrerait un effet doppler, bien qu'intuitivement ce n'est pas insensé bien sûr.

2) Du à la gravitation: Placez un détecteur sur un satellite en orbite géostationnaire autour de la terre, balancez lui, depuis la surface, un laser à la verticale: il va observer un redshift du laser.
Mais même question, comment bien expliquer ce redshift-ci? Ok c'est encore du aux effets relativistes, mais en quoi ça change la fréquence reçues exactement, puisque la vitesse de la lumière est toujours la même, que ce soit pour le détecteur, ou dans le référentiel en chute libre de la lumière. Et tiens d'ailleurs, si le laser part du satellite et va vers un detecteur à la surface de la terre, blueshit ou toujours redshift?

J'ai conscience que ça fait beaucoup de questions mais voila, je suis à la recherche du déclic.. Merci d'avance !
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[phys4]

Bonsoir,

Oui la vitesse mesurée localement est toujours identique à elle-même pour la lumière, mais cela n'interfère pas avec l'effet Doppler.
Pour comprendre cette base, je propose une expérience simple : deux mobiles communique par une onde de longueur d'onde ,
les deux mobiles s'éloignent l'un de l'autre, inutile de choisir celui qui s'éloigne, car l'expérience est symétrique.
Avant que les mobiles soient en mouvement relatif, il existe une distance entre les deux qui vaut , par exemple.
Quand ils s'éloignent, la distance entre eux augmente et devient donc , ces ondes intermédiaires retiennent x périodes supplémentaires du signal, le récepteur perdra ces périodes de signal, qui lui parviendront en retard.
Il doit doit exister un effet qui diminue la fréquence reçue quand les mobiles s'éloignent, et au contraire, augment la fréquence reçue quand les mobiles se rapprochent.

Pour la gravitation, l'effet n'est pas symétrique, le capteur qui a un potentiel de gravitation plus élevé que l'émetteur reçoit une fréquence plus basse, et celui qui son potentiel de gravitation plus petit reçoit une fréquence plus élevée.
Ici le nombre de longueur d'onde entre les appareils ne change pas, c'est l'échelle de temps de chacun qui est différente.
Au revoir.

[Nicophil]

Bonjour,

Une des choses que je comprends mal est le redshift (ou le blueshift en fait) sous tous ses aspects:

1) Du à l'éloignement des objets : D'après ce que j'ai lu, dans le cadre de la relativité, on a un effet symétrique; les deux objets qui s'éloignent voient l'autre décalé vers le rouge.

En RR, c'est toujours un redshift qu'on mesure, que l'émetteur s'éloigne ou se rapproche.

[pm42]

En RR, c'est toujours un redshift qu'on mesure, que l'émetteur s'éloigne ou se rapproche.

Il serait intéressant de préciser ce que tu entends par là. On ne mesurerait jamais de blueshift même si l'émetteur s'approche ?
Je me demande comment cela serait possible d'autant qu'Andromède par exemple a un blueshift (http://www.physlink.com/education/askexperts/ae384.cfm).

[A voir en vidéo sur Futura]

[Deedee81]

Salut,

Il y a confusion entre effet Doppler et dilatation du temps.

Dans l'effet Doppler classique il y a un redshift ou un blueshift selon le sens (selon que ça s'éloigne ou que ça s'approche).
La dilatation du temps elle ne dépend pas du sens.
Et l'effet Doppler relativiste ce n'est rien d'autre que la combinaison des deux, mais même lorsque l'objet s'approche, ça reste blueshifté car la dilatation du temps ne saurait pas compenser totalement l'effet Doppler classique.

[Nicophil]

En RG, c'est facile, il y a symétrie : si l'un mesure/voit l'horloge de l'autre ralentie, l'autre mesure/voit l'horloge du premier accélérée.

En RR, il y a réciprocité : si l'un mesure l'horloge de l'autre ralentie, l'autre aussi mesure l'horloge du premier ralentie : c'est le redshift RR, donné par le facteur de Lorentz (gamma).
Mais, dans le cas d'un rapprochement, ce qu'ils verront, c'est un blueshift : l'effet Doppler relativiste est une combinaison du redshift/blueshift Doppler classique et du redshift RR.

[Amanuensis]

En RG, c'est facile, il y a symétrie : si l'un mesure/voit l'horloge de l'autre ralentie, l'autre mesure/voit l'horloge du premier accélérée.

En RR, il y a réciprocité : si l'un mesure l'horloge de l'autre ralentie, l'autre aussi mesure l'horloge du premier ralentie

Belle contradiction (et donc joli nawak), puisque la RR n'est qu'un cas particulier de la RG.

[Amanuensis]

Il y a confusion entre effet Doppler et dilatation du temps.

Parce qu'il y a confusion entre observation et calcul dans un système de coordonnées...

Comme souvent sur le sujet, les différentes réponses montrent une confusion générale entre le doppler classique; ce qu'on apprend dans le cadre restreint de l'espace-temps de Minkowski (RR, point 1 du message #1); ce qu'on apprend dans le cadre restreint de la géométrie de Schwarzschild et son approximation Newtonnienne (point 2 du message #1); et enfin l'approche générale que permet la RG (transport parallèle de la quadrivitesse de la source le long du trajet de la lumière).

(Pour le moment le redshift cosmologique (cas particulier des espaces-temps à espace homogène et en expansion) n'a pas été cité...)

Si on veut une comprendre les "shifts" sous "tous leurs aspects", seule l'approche générale de la RG permet la synthèse de tous ces phénomènes qui ne sont que des cas particuliers d'une propriété générale, qui est simplement que la fréquence reçue mesurée par un observateur n'a aucune raison a priori d'être égale à la fréquence émise mesurée par un autre "observateur", et que le décalage dépend de la géométrie de l'espace-temps le long du trajet de la lumière ainsi (évidemment) que des observateurs.

Notons que si on veut généraliser avec rigueur cette "opposition" entre soi-disant effet RR et soi-disant effet RG on peut le faire en distinguant un effet dû au transport parallèle et un effet dû aux quadri-vitesses des observateurs, tout en notant que quantifier la part de chaque effet est arbitraire.

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Pour ceux à qui l'approche 4D est compréhensible, le shift est U2.Tr(U1) avec U1 la QV de l'observateur "émetteur" à l'événement "émission", U2 la QV de l'observateur "récepteur" à l'événement "réception", Tr() le transport parallèle le long du chemin de la lumière de l'événement émission à l'événement réception.

On retrouve le cas de la RR comme U1.U2 (puisque le transport parallèle se réécrit comme une identité), un effet des vitesses des observateurs.

On retrouve le cas Schwarzschild en prenant en coordonnées de Schwarzschild deux immobiles ne différant que par la coordonnée r et un chemin radial de lumière. Les observateurs étant "immobiles", l'effet est attribué à la "gravitation".

Etc.

[Soadfan]

Tout d'abord un grand merci à tous pour vos réponses ! <33
Je tente de me faire un genre de résumé, même si j'ai encore des questions. merci de me dire dès qu'il y a une connerie ou une imprécision

Donc,

Pour l'éloignement à vitesse uniforme entre deux objets:

Deux mobiles A et B sont situés à une certaine distance et communiquent.
L'onde allant de A vers B va toujours à vitesse C, que ce soit dans le référentiel de l'onde ou dans les refs de A et de B. La composition des vitesses ne s'applique pas:
si la vitesse de l'onde qui est percue est irrémédiablement la même quelque soit le mouvement ou la position de l’observateur, c'est qu'il y a désynchronisation des horloges entre les référentiels.

A et B s'éloignent maintenant:
techniquement, il y avait déjà une vitesse relative entre A et la lumière (ou B et la lumière), quand A ne s'éloignait pas de B.
Donc, augmenter cette vitesse ne change rien au raisonnement. La lumière va tjrs à C quelque soit le référentiel, et le temps perçu est toujours différent

(et de manière symétrique d'ailleurs, tant qu'on reste en mouvement uniforme on reste dans le cadre de la RR.
Donc, pour A, A va "vivre" deux secondes par exemple et va donc calculer que la lumière en a vécu deux, alors que pendant ce temps elle en aura "vécu" une seule dans son référentiel. Et pour la lumière, quand elle "vit" deux secondes et calcule donc que A en a vécu 2, pour A cela n'aura paru être qu'une seule seconde dans son référentiel. Symétrique.)

Cependant donc, entre A et B c'est la distance qui change au cours du temps, ce qui amène la distance entre les deux à changer, à passer de N*lambda
à (N+x)*lambda avec x qui augmente. Au fur et à mesure, A par exemple percoit moins vite les différentes "bosses" et "creux" de l'onde; la période percue est plus grande, la fréquence plus basse: il y a redshift. S'il y avait rapprochement ce serait donc un blueshift.

Cela m'amène à deux questions:
1)Lors d'un rapprochement ou d'un éloignement, il y a tout de même les effets relativistes en plus du doppler:
Du point de vue de la dilatation du temps, quel effet supplémentaire doit donc etre pris en compte? redshift, blueshift? Pourquoi?

2)Qu'en est-il de deux objets s'éloignant en mouvement accélérés? Plus de RR donc non? On fait comment avec la RG pour savoir l'effet? Est-ce toujours symétrique?


Pour la gravitation:
Ok donc apparemment l'effet n'est pas symétrique, on a un redshift si on envoie un laser vers un satellite depuis la surface, et un blueshit si on fait l'inverse.

Mais je reviens finalement à la question ci dessus;
en quoi précisément la dilatation du temps (ou la contraction des longueurs en fait) du à la gravitation cette fois-ci, implique par exemple une fréquence plus petite pour le satellite? (redshift).


Un grand grand merci d'avance <33

[phys4]

Deux mobiles A et B sont situés à une certaine distance et communiquent.
L'onde allant de A vers B va toujours à vitesse C, que ce soit dans le référentiel de l'onde ou dans les refs de A et de B. La composition des vitesses ne s'applique pas:
si la vitesse de l'onde qui est percue est irrémédiablement la même quelque soit le mouvement ou la position de l’observateur, c'est qu'il y a désynchronisation des horloges entre les référentiels.

La composition des vitesses de Galilée (simple addition) ne s'applique pas, c'est la composition des vitesses relativiste qui s'applique.

Cela m'amène à deux questions:
1)Lors d'un rapprochement ou d'un éloignement, il y a tout de même les effets relativistes en plus du doppler:

L'effet temporel est inclus dans l'effet Doppler relativiste, il n'ajoute pas d'autre effet, il y a totale compatibilité entre Doppler et changement de référentiel de Lorentz.
Ils s'impliquent l'un l'autre.

2)Qu'en est-il de deux objets s'éloignant en mouvement accélérés? Plus de RR donc non? On fait comment avec la RG pour savoir l'effet? Est-ce toujours symétrique?

Avec accélération l'effet n'est plus symétrique, la loi Doppler s'applique avec la vitesse de l'émetteur lors de l'émission et la vitesse du récepteur lors de la réception. Ces vitesses seront différentes pour la transmission en sens inverse, donc plus de symétrie.

Pour la gravitation:
Ok donc apparemment l'effet n'est pas symétrique, on a un redshift si on envoie un laser vers un satellite depuis la surface, et un blueshit si on fait l'inverse.

L'équivalence entre gravitation et accélération (principe d'équivalence) vous montre comment interpréter :
vous remplacer le surface de la terre et le satellite par deux mobiles qui accélèrent ensemble, le signal de celui qui est derrière rejoint le mobile qui a accéléré vers l'avant pendant le parcours, la fréquence reçue est donc diminuée.
Le signal dans l'autre sens va vers un mobile qui accélère vers lui, tout se passe comme si le mobile se rapproche et la fréquence du signal reçu a augmenté.

[Amanuensis]

vous remplacer le surface de la terre et le satellite par deux mobiles qui accélèrent ensemble

Vers le haut ou vers le bas? Qui est "derrière"?

(Perso, je trouve le raisonnement énergétique plus simple.)

[Amanuensis]

2)Qu'en est-il de deux objets s'éloignant en mouvement accélérés? Plus de RR donc non? On fait comment avec la RG pour savoir l'effet? Est-ce toujours symétrique?

Non, ce n'est pas toujours symétrique. Ce n'est pas l'accélération relative qui compte (car alors ce serait symétrique), mais les accélérations propres.

Si la situation est symétrique, i.e., les deux s'éloignent l'un de l'autre avec la même accélération propre (en module), par exemple mêmes moteurs, alors l'effet sera symétrique (comment cela pourrait-il en être autrement???). Mais si l'un est inertiel et l'autre motorisé, alors ce ne sera pas symétrique (pas étonnant, la situation n'est pas symétrique!).

La règle est générale et assez simple: une situation symétrique va donner des décalages symétriques, et une situation dissymétrique donne probablement des décalages non symétriques! Par exemple dans le cas de l'espace-temps de Minkowski ("RR") la situation avec deux mobiles en MRU est clairement symétrique de par les symétries de l'espace-temps en question, donc les décalages seront symétriques (la conclusion s'obtient sans avoir à s'occuper de transformation de Lorentz...!

[phys4]

Vers le haut ou vers le bas? Qui est "derrière"?

(Perso, je trouve le raisonnement énergétique plus simple.)

J'essaie toujours de rester au niveau de l'auteur de la demande, le raisonnement par l'énergie était l'idée de départ, qui a servi a montré que le redshift de gravitation était indispensable pour la conservation de l'énergie. Pour un débutant, il n'est pas évident d'associer une variation d'énergie et une variation de fréquence.
L'analogie avec l'accélération indique directement la variation de fréquence, le cas du satellite n'est pas simple, il est plus facile de considérer un immeuble de hauteur h :
l'émission d'un signal du bas de l'immeuble vers le haut dure un temps h/c, pendant ce temps le référentiel inertiel ( en chute libre) d'émission du signal descend d'un vitesse g*h/c et donc le point de réception en haut de l'immeuble semble s'éloigner à cette vitesse.
Inversement, le signal émis du haut de l'immeuble vers le bas, verra le bas de l'immeuble accélérer vers lui à la vitesse g*h/c.
Je pense que cela devrait aider le demandeur à retrouver le bon sens.

[Amanuensis]

Cela se défend.

Maintenant, les raisonnements sur l'énergie sont enseignés en mécanique classique et se révèlent bien utilisés en général ; alors que les référentiels se révèlent très mal compris. Un "débutant" (1) qui comprendrait bien "référentiel" mais n'aurait pas la base scolaire sur l'énergie est un peu surprenant.

(1) J'imagine qu'il faut comprendre débutant en RR et RG...

Rien que dans le message précédent on peut noter:

1) une source de confusion avec " le référentiel inertiel ( en chute libre)", car en mécanique classique un référentiel inertiel n'est pas en général un référentiel de chute libre ;

2) "référentiel de chute libre d'émission du signal" n'est pas défini, et je ne suis pas convaincu que l'auteur de la demande (et bien d'autres lecteurs) soit capable de définir suffisamment précisément ce que cela signifie.

[Soadfan]

J'essaie toujours de rester au niveau de l'auteur de la demande, le raisonnement par l'énergie était l'idée de départ, qui a servi a montré que le redshift de gravitation était indispensable pour la conservation de l'énergie. Pour un débutant, il n'est pas évident d'associer une variation d'énergie et une variation de fréquence.
L'analogie avec l'accélération indique directement la variation de fréquence, le cas du satellite n'est pas simple, il est plus facile de considérer un immeuble de hauteur h :
l'émission d'un signal du bas de l'immeuble vers le haut dure un temps h/c, pendant ce temps le référentiel inertiel ( en chute libre) d'émission du signal descend d'un vitesse g*h/c et donc le point de réception en haut de l'immeuble semble s'éloigner à cette vitesse.
Inversement, le signal émis du haut de l'immeuble vers le bas, verra le bas de l'immeuble accélérer vers lui à la vitesse g*h/c.
Je pense que cela devrait aider le demandeur à retrouver le bon sens.

Merci, je comprend mieux intuitivement, même si j'ai encore du mal à comprendre l'impact de la dilatation du temps / contraction des longueurs, sur l'effet au final.

Cela se défend.

Maintenant, les raisonnements sur l'énergie sont enseignés en mécanique classique et se révèlent bien utilisés en général ; alors que les référentiels se révèlent très mal compris. Un "débutant" (1) qui comprendrait bien "référentiel" mais n'aurait pas la base scolaire sur l'énergie est un peu surprenant.

(1) J'imagine qu'il faut comprendre débutant en RR et RG...

Rien que dans le message précédent on peut noter:

1) une source de confusion avec " le référentiel inertiel ( en chute libre)", car en mécanique classique un référentiel inertiel n'est pas en général un référentiel de chute libre ;

2) "référentiel de chute libre d'émission du signal" n'est pas défini, et je ne suis pas convaincu que l'auteur de la demande (et bien d'autres lecteurs) soit capable de définir suffisamment précisément ce que cela signifie.

Merci pour ces précisions, c'est vrai qu'il est compliqué pour moi de saisir pleinement l'idée de référentiel en chute libre quand on parle du référentiel de la lumière émise, notamment

[Amaury LCB]

Une des choses que je comprend mal est le redshift (ou le blueshift en fait)

effectivement...

les deux objets qui s'éloignent voient l'autre décalé vers le rouge. Mais ce que je ne comprend pas, c'est que on a démontré que la vitesse de la lumière ne variait pas selon le référentiel, donc peu importe la vitesse des objets

si c'est vrai, on peut entendre aussi la lumière n'évolue pas dans ce référentiel ou faisant bloc avec l'espace-temps

[Deedee81]

si c'est vrai, on peut entendre aussi la lumière n'évolue pas dans ce référentiel ou faisant bloc avec l'espace-temps

Pardon ???????

[Amaury LCB]

Pardon ???????

c'est à dire?

[Amaury LCB]

Bonjour,

En RR, c'est toujours un redshift qu'on mesure, que l'émetteur s'éloigne ou se rapproche.

aucun objet céleste ne se rapproche, donc aucune collision possible?

[Amaury LCB]

aucun objet céleste ne se rapproche, donc aucune collision possible?

impossible de différencier donc...j'ai entendu parler et lu une autre version...

[Deedee81]

c'est à dire?

Ta phrase est incompréhensible.

[phys4]

aucun objet céleste ne se rapproche, donc aucune collision possible?

Il existe à l'intérieur de la galaxie des astres qui se rapprochent, dans ce cas c'est bien un shift vers le bleu qui est observé.

L'une des galaxies proche présente également un blueshift (Andromède).