Décalage spectral.

[stefjm]

La relation de base est
Donc dans un milieu donné (v, vitesse, donnée), si la longueur d'onde change, la fréquence change.
Lorsqu'on change de milieu (v1 différent de v2) la fréquence n'a pas de raison de changer et la longueur d'onde change à cause de la vitesse.

On en revient à ce qui est primaire : la fréquence ou la longueur (d'onde).
Autant je n'ai pas trop de mal en physique classique (avec temps et longueur clairement distincts) autant c'est moins clair pour moi en relativité.
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[yves95210]

On en revient à ce qui est primaire : la fréquence ou la longueur (d'onde).
Autant je n'ai pas trop de mal en physique classique (avec temps et longueur clairement distincts) autant c'est moins clair pour moi en relativité.

Ce qui caractérise un horloge, c'est l'invariance des intervalles de temps T qu'elle mesure dans son temps propre, autrement dit la fréquence f de ses battements. Si tu observes une horloge se déplaçant à une vitesse constante v par rapport à toi, en physique classique (ou si v << c) tu peux définir une "longueur d'onde" (la distance parcourue entre deux battements de l'horloge) L = v T = v/f.
La correction apportée par la relativité (restreinte) ne dépend que du facteur racine(1-v²/c²), tant pour L que pour T (pour lequel ce facteur exprime le rapport entre l'intervalle de temps propre entre deux battements de l'horloge et l'intervalle de temps entre ces battements mesuré par l'observateur dans son temps propre). Les données primaires restent f (ou T) et v.

Comme Amanuensis l'a dit, cela vaut pour tous les "rythmes temporels", qu'il s'agisse de la fréquence des battements d'une horloge ou de la fréquence d'une onde électromagnétique. Et ça se généralise en RG (désolé pour le pléonasme), où le rapport entre l'intervalle de temps propre mesuré par une horloge et l'intervalle de temps de temps de l'horloge mesuré par un observateur distant dépend en plus de la valeur locale du champ gravitationnel dans lequel ils sont plongés - troisième donnée primaire.

[Amanuensis]

[Post envoi : tiens, encore un croisement...]

On en revient à ce qui est primaire : la fréquence ou la longueur (d'onde).

Comme expliqué par gts2 il faut distinguer deux situations, soit à milieu constant (typiquement le vide, éventuellement approximatif) et avec changement de référentiel entre l'émission et la réception, soit à milieu variable, avec différence de vitesse de propagation dans le milieu (donc au moins une significativement inférieure à c), ou encore (même chose il me semble) différence d'indice de réfraction.

Je vais tenter de développer un peu...

La confusion possible est entre "vitesse de la lumière" et "vitesse limite définie par la RR". Les deux concepts sont trop souvent considérés comme identiques, alors qu'ils ne le sont pas, puisque la vitesse de propagation de la "lumière" (un concept ondulatoire) dépend des caractéristiques optiques du milieu.

Il se trouve que les expériences en optique indiquent que la fréquence est conservée lors du passage entre deux milieux d'indice de réfraction différents. C'est donc la fréquence qui sera, dans ce cadre, la grandeur conservée.

L'autre cas, sans changement de milieu optique, est lié à des différences de vitesse non pas de la propagation mais de l'observateur, et quand il observe et mesure des émissions et des absorptions (ce qui sont plutôt des concepts "particulaires"). Alors c'est le quadri-vecteur (et non la vitesse) du rayonnement qui est conservé, et cela se traduit (pour les observateurs, aspect de la relativité) par un changement de la fréquence observée, et c'est la fréquence qui est première car le changement n'est qu'un cas particulier du changement des rythmes temporels, se faisant tous avec la même valeur.

[GBo]

Pour bien comprendre (je n'ai plus fait de physique depuis de lointaines études) : quand un LASER de module SFP monomode de routeur tire dans une fibre optique, il y a changement de milieu air->verre, ça ne change pas du tout la "couleur" de la lumière (çà se saurait...), par contre dans l'équation donnée par gts2, la vitesse passe de v1 dans l'air à v2 dans le verre avec v2 << v1, c'est bien çà ?

[gts2]

C'est bien cela avec v2<v1 (facteur de l'ordre de 1,5)

[GBo]

Merci.
Et je remarque pourtant sur mes transceivers SFP+ (Cisco ou autre) que la "couleur" est marquée en nm (ex. 1310 nm) et non en fréquence, ce qui serait plus correct puisque c'est la fréquence qui se conservera lors du passage dans le verre. Je suppose que c'est parce qu'il est plus facile de faire une mesure de λ (par un réseau de diffraction ?) que de f directement ? Mais l'a fait-on dans le vide cette mesure ? Ou dans l'air mais c'est kif-kif ?

[Amanuensis]

Il me semble qu'en optique ondulatoire c'est plus "parlant" en longueurs d'onde (e.g., pour les figures d'interférence).

La "logique" des jargons de métier n'est pas toujours évidente pour les profanes, ou des gens d'autres métiers.

HS : Par exemple les policiers parlent de "borner" un mobile, un terme que je ne connais pas chez les "ingé télécoms"...

[gts2]

En optique, les longueurs d'onde sont les longueurs d'onde dans le vide.

On utilise la longueur d'onde d'une part par habitude, d'autre part parce que les calculs interférentiels (type réseau) se font par différence de marche (l'interprétation géométrique est simple) et comme on a des longueurs (le pas du réseau par ex.), on compare à une longueur (qui est la longueur d'onde dans le vide). Les mesures se font en effet dans l'air, l'erreur par rapport au vide est de l'ordre de 3.10^-4.

C'est bien une habitude : les chimistes en spectro IR utilisent par contre le nombre d'onde 1/λ en cm^-1 (toujours λ dans le vide), avec les spectro à transformée de Fourier cela parait naturel puisque la variable du spectre est 1/λ mais j'ai l'impression que c'était le cas avant, il faudrait demander à un chimiste. Avec les réseaux donnés en traits/mm, on pourrait d'ailleurs utiliser ici aussi le nombre d'onde.

[David G29]

Je suis loin d'avoir tout compris.

Dans un décalage spectral, qu'est ce qui change dans une onde (la longueur d'onde, la fréquence, la vitesse, ...)?

Désolé, si je met du temps à répondre, mais merci pour vos réponses.

[GBo]

Je suis loin d'avoir tout compris.
Dans un décalage spectral, qu'est ce qui change dans une onde (la longueur d'onde, la fréquence, la vitesse, ...)?
Désolé, si je met du temps à répondre, mais merci pour vos réponses.

Un "décalage spectral" n'est pas une caractérisation suffisante d'un phénomène physique, la réponse unique n'existe donc pas, pour preuve il a déjà été donné au moins deux cas de figure au cours du fil:
- si le décalage est dû à un effet doppler dans un milieu constant : tout change
- si le décalage est dû à un changement de milieu, c'est la longueur d'onde qui change, et la vitesse, mais pas la fréquence

[David G29]

Donc, si je comprend bien, le décalage spectral peut êtres du à un effet doppler dans un milieu constant ou à un changement de milieu, et ce n'import où?

Désolé si vous avez l'impression de vous répétez, la sémantique est parfois le problème d'une incompression (enfin si je peux m'exprimer ainsi).

[GBo]

Rectificatif : dans le cas Doppler, le "tout change" est abusif: la célérité de l'onde ne change pas.

[GBo]

Donc, si je comprend bien, le décalage spectral peut êtres du à un effet doppler dans un milieu constant ou à un changement de milieu, et ce n'import où?
Désolé si vous avez l'impression de vous répétez, la sémantique est parfois le problème d'une incompression (enfin si je peux m'exprimer ainsi).

Le terme "décalage spectral", tu l'utilises depuis le début sans préciser le contexte d'une expérience ou d'une observation, donc on va tourber en rond puisque ce n'est pas suffisant pour préciser la question. Le terme est d'ailleurs à mon avis peu approprié pour l'évoquer lors d'un changement de milieu, puisque comme on l'a vu dans le cas d'un Laser monochromatique passant de l'air au verre, la couleur de la lumière ne change pas (car c'est la fréquence qui détermine la couleur et elle, elle ne change pas) comme rappelé ici:
"[RévisionsBac.com] - Changement de milieu de propagation"
https://youtu.be/WwVBA86IbzA

La plupart du temps quand on évoque un "décalage spectral", c'est pour décrire les effets du Doppler ou de "redshift" dans le cas de l'astronomie:
https://fr.wikipedia.org/wiki/D%C3%A..._vers_le_rouge

[Lansberg]

Bonjour,

Donc, si je comprend bien, le décalage spectral peut êtres du à un effet doppler dans un milieu constant ou à un changement de milieu, et ce n'import où?

Il y aura décalage spectral dans les trois cas qui ont déjà été évoqués au travers des différentes réponses :

- effet Doppler lié à la vitesse relative entre émetteur et récepteur. Par exemple une étoile de notre galaxie qui se rapproche de nous, se traduira par un blueshift (décalage vers le bleu) et si elle s'éloigne, cela se traduira par un redshift (décalage vers le rouge).
- expansion de l'univers. Elle provoque un éloignement des galaxies lointaines d'autant plus rapide que les galaxies sont distantes. Cela se traduit obligatoirement par un redshift quel que soit l'observateur dans l'univers.
- effet gravitationnel pour la lumière se déplaçant dans un champ gravitationnel non homogène. Il peut y avoir soit blueshift, soit redshift.

[gts2]

Dans un décalage spectral, qu'est ce qui change dans une onde (la longueur d'onde, la fréquence, la vitesse, ...)?

Ce qui change est la fréquence.

[gts2]

Donc, si je comprend bien, le décalage spectral peut être du à un effet doppler dans un milieu constant ou à un changement de milieu, et ce n'importe où ?

Il a déjà été dit qu'un changement de milieu n'implique pas de changement de fréquence, donc pas de décalage spectral.

[Amanuensis]

Dans un décalage spectral, qu'est ce qui change dans une onde (la longueur d'onde, la fréquence, la vitesse, ...)?

Par définition c'est le spectre qui se décale. C'est donc le spectre qui change.

Le spectre c'est la puissance (l'énergie par unité de temps) en fonction de la fréquence, cela indique à quelles fréquences se trouve la puissance.

Le son est peut-être le meilleur exemple : le grave, le médium, l'aigu, sont des termes qui parlent du spectre. Les notes en musique pareil.

Quand on parle de décalage spectral, c'est essentiellement entre ce qui est émis et ce qui est reçu.

Ce qui est émis (le signal) a sa puissance distribuée d'une certaine manière selon la fréquence, c'est son spectre (la puissance étant normalisée à sa valeur totale). Pareil pour le signal reçu. On parle de décalage quand les spectres sont "identiques" mais décalés. La puissance (normalisée) d'émission à une certaine fréquence est retrouvée en réception à une fréquence différente, multipliée par une certaine valeur (le décalage), la même pour toutes les fréquences. Par exemple en musique, si on prend une mélodie et on remplace chaque note par la note à l'octave, on a effectué un décalage spectral (multiplication d'un facteur 2 des fréquences). Les musiciens parlent de modulation (pas qu'eux, d'ailleurs).

Ce qui est décalé est donc le spectre, et c'est par usage qu'on parle d'un décalage en fréquence (ça colle bien quand le signal a toute sa puissance sur une seule fréquence) .

Cela se complique parce qu'on peut remplacer la fréquence par la longueur d'onde, car elles sont liées une formule très simple, par la vitesse. On peut donc choisir de prendre la formule donnant le spectre soit comme la puissance en fonction de la fréquence, soit en fonction de la longueur d'onde. Le choix dépend du "métier", du domaine d'application. Vous ne verrez jamais (je pense) quelqu'un parler en musique d'une modulation (décalage spectral) comme un changement de longueur d'onde, mais ils parleront d'un décalage de note, c'est à dire de fréquence.

[yves95210]

La vitesse de propagation d'une onde EM monochromatique dans un milieu dépend de sa fréquence.
Si l'onde n'est pas monochromatique elle peut être décomposée en la somme de plusieurs ondes monochromatiques de fréquences différentes, et un changement de milieu provoque une dispersion de leurs longueurs d'onde : les fréquences restant inchangées, ce sont les longueurs d'onde qui sont affectées par la relation L=v(f)/f. La forme du spectre de puissance en fonction de la longueur d'onde n'est donc pas conservé et on ne peut pas parler d'un simple décalage spectral.
D'ailleurs, même sans changement de milieu, l'effet Doppler relativiste dans un milieu dispersif (à part le vide, tous les milieux sont dispersifs à des degrés divers) doit aussi déformer le spectre de puissance.

Ce n'est que dans le cas d'une propagation d'une onde dans le vide (comme en astronomie) que la vitesse est la même pour toutes les fréquences et qu'il est équivalent de parler d'un décalage du spectre de puissance exprimé en fonction de la longueur d'onde ou en fonction de la fréquence, ou de "décalage spectral" tout court.

[David G29]

Merci à tous.

Effectivement, j'aurais peut-être du dire que c'était dans le domaine de l'astronomie auquel je faisais allusion.
A ma décharge, étant dans un salon sur astronomie-astrophysique, je ne voyais pas la nécessité de le préciser. Désolé!

J'aime bien l'analogie sur le son, c'est très parlant concernant le spectre et un morceau de musique.
Si on écoutait une chanson qui viendrait loin dans l'espace, elle aurait tendance à être plus grave. C'est bien ça?

Concernant les cas où se manifeste le décalage spectral:

Il y aura décalage spectral dans les trois cas qui ont déjà été évoqués au travers des différentes réponses :

- effet Doppler lié à la vitesse relative entre émetteur et récepteur. Par exemple une étoile de notre galaxie qui se rapproche de nous, se traduira par un blueshift (décalage vers le bleu) et si elle s'éloigne, cela se traduira par un redshift (décalage vers le rouge).
- expansion de l'univers. Elle provoque un éloignement des galaxies lointaines d'autant plus rapide que les galaxies sont distantes. Cela se traduit obligatoirement par un redshift quel que soit l'observateur dans l'univers.
- effet gravitationnel pour la lumière se déplaçant dans un champ gravitationnel non homogène. Il peut y avoir soit blueshift, soit redshift.

Est-ce-que le passage dans un nuage de poussière dans l'espace (par ex.), peut-il également jouer un rôle ou pas du tout?

[gts2]

Les nuages absorbent de la lumière donc "déforment" le spectre, il ne me semble pas qu'on puisse appeler cela un décalage spectral.

[GBo]

Merci à tous.
Effectivement, j'aurais peut-être du dire que c'était dans le domaine de l'astronomie auquel je faisais allusion.
A ma décharge, étant dans un salon sur astronomie-astrophysique, je ne voyais pas la nécessité de le préciser. Désolé!

Désolé c'est moi qui n'ai pas vu qu'on était dans la rubrique astronomie, je pensais que l'on était en physique générale (du coup je ne comprends pas tes questions sur "le changement de milieu" dans ce contexte puisque la lumière des étoiles et des galaxies arrivent sur Hubble ou sur Webb via le vide spatial, il n'y a pas de "changement de milieu" au sens classique du terme en physique et en optique - air / vide / eau / verre etc... )

J'aime bien l'analogie sur le son, c'est très parlant concernant le spectre et un morceau de musique.
Si on écoutait une chanson qui viendrait loin dans l'espace, elle aurait tendance à être plus grave. C'est bien ça?

Un décalage vers le rouge correspond, dans cette analogie avec le son, à une note plus grave que celle émise par le klaxon d'une voiture , signe que le véhicule en question s'éloigne du piéton resté en bord de route (effet Dopplar). Mais c'est plus compliqué que ça en astronomie, voir l'article déjà donné plus haut:
"Décalage vers le rouge"
https://fr.wikipedia.org/wiki/D%C3%A..._vers_le_rouge

[yves95210]

Les nuages absorbent de la lumière donc "déforment" le spectre, il ne me semble pas qu'on puisse appeler cela un décalage spectral.

Mais effectivement il faut tenir compte de cette déformation par la traversée de diverses régions de l'espace entre l'émission et la réception (effet Sachs-Wolfe lors de la traversée de puits de potentiel gravitationnel, et effet Sunyaev-Zel'dovich).

[Lansberg]

Est-ce-que le passage dans un nuage de poussière dans l'espace (par ex.), peut-il également jouer un rôle ou pas du tout?

Ce qui joue surtout un rôle fondamental en astrophysique c'est l'absorption de la raie Lyman alpha (121,6 nm), émise par des quasars et galaxies lointaines, par des nuages d'hydrogène neutre situés sur la ligne de visée à des distances différentes. Cela se traduit dans les spectres par ce qu'on appelle la fôret Lyman-alpha qui correspond aux "empreintes" spectroscopiques des différents nuages d'hydrogène neutre. À cause de l'expansion de l'univers, la raie Lyman alpha du quasar distant est décalée le plus fortement vers le rouge et les raies qui constituent la forêt Lyman alpha présentent des décalages plus faibles qui dépendent de la distance des nuages d'hydrogène neutre.
C'est un moyen puissant de détection et d'analyse de la répartition de l'hydrogène dans l'univers.

Voir le wiki (anglais !) et en particulier la petite animation : https://en.wikipedia.org/wiki/Lyman-alpha_forest

Ou ici pour avoir une idée de l'allure des spectres pour deux quasars situés à des distances différentes : https://www.astro.ucla.edu/~wright/L...ha-forest.html

[Amanuensis]

es nuages absorbent de la lumière donc "déforment" le spectre, il ne me semble pas qu'on puisse appeler cela un décalage spectral.

Mais effectivement il faut tenir compte de cette déformation par la traversée de diverses régions de l'espace entre l'émission et la réception (effet Sachs-Wolfe lors de la traversée de puits de potentiel gravitationnel, et effet Sunyaev-Zel'dovich).

J'ai dû mal comprendre quelque chose, mais je ne vois pas en quoi ces effets "déforment" le spectre. Ils sont présentés comme des variations (très faibles) du z du CMB en fonction de la direction, pas en fonction de la fréquence, si?

[Amanuensis]

Par ailleurs je ne suis pas bien sûr que cela aide de mélanger "déformations du spectre" et décalage spectral.

Les effets sur le spectre de la lumière d'une traversée d'un milieu non vide sont un phénomène assez évident (prenons la traversée d'un verre de vitrail rouge...) qu'on n'a pas de raison de confondre avec un "décalage spectral".

[yves95210]

J'ai dû mal comprendre quelque chose, mais je ne vois pas en quoi ces effets "déforment" le spectre. Ils sont présentés comme des variations (très faibles) du z du CMB en fonction de la direction, pas en fonction de la fréquence, si?

J'ai sans-doute dit une bêtise au sujet de l'effet Sachs-Wolfe, mais pas (me semble-t-il) au sujet de l'effet Sunyaev-Zel'dovich :

The Sunyaev–Zeldovich effect is the spectral distortion of the cosmic microwave background (CMB) through inverse Compton scattering by high-energy electrons in galaxy clusters, in which the low-energy CMB photons receive an average energy boost during collision with the high-energy cluster electrons. Observed distortions of the cosmic microwave background spectrum are used to detect the disturbance of density in the universe. Using the Sunyaev–Zeldovich effect, dense clusters of galaxies have been observed.

[gts2]

Le tout est lié à des remarques de @David G29
"Est ce que un changement ... de milieu peux provoquer un décalage ?"
"Je croyais que si la longueur d'ondes changeait, la fréquence changeait inversement proportionnellement"
"Le décalage spectral peut être du ... à un changement de milieu"

Et l'idée de déformation était juste pour insister sur le fait que la traversée d'un gaz peut changer la forme du spectre (forme au sens "normal" : diminution/apparition d'un pic ...) mais pas la fréquence et donc pas de décalage spectral du à ce passage en tant que tel.

[yves95210]

Les effets sur le spectre de la lumière d'une traversée d'un milieu non vide sont un phénomène assez évident (prenons la traversée d'un verre de vitrail rouge...) qu'on n'a pas de raison de confondre avec un "décalage spectral".

En l'occurrence c'est la conséquence des phénomènes de réflexion / absorption / réfraction et non la conséquence des différences entre les vitesses de propagation des ondes dans le milieu en fonction de leur fréquence.

[Amanuensis]

J'ai sans-doute dit une bêtise au sujet de l'effet Sachs-Wolfe, mais pas (me semble-t-il) au sujet de l'effet Sunyaev-Zel'dovich :

Je ne sais pas. Mais je lis la description comme un effet du contenu du milieu traversé. La notion de "spectral distortion" peut couvrir des effets non linéaires du milieu.

[Amanuensis]

Oui, on aurait pu citer d'entrée les effets sur le spectre d'atténuations dépendant de la fréquence, et d'effets optiques non linéaires. J'aurais penser que ceux dont on fait l'expérience tout les jours (couleur d'un verre, fluorescence) étaient assez connus, et qu'il y avait quelques exemples de tels effets en cosmologie...