Décalage spectral.

[David G29]

Bonjour à tous,

Il est fort probable qu'il y est eu d'innombrable question à ce sujet et désolé si celle que je vais proposer, est redondante.

Quelles sont les phénomènes qui provoque un décalage spectral?

Merci d'avance pour vos réponses.
-----

[stefjm]

Un déplacement,par exemple à vitesse constante de la source par rapport à l'observateur. Effet Doppler, par exemple.

[yves95210]

Un déplacement,par exemple à vitesse constante de la source par rapport à l'observateur. Effet Doppler, par exemple.

Oui, selon la relativité "restreinte". Mais aussi la gravitation selon la relativité générale et l'expansion de l'espace selon Friedmann et Lemaître qui, il y a un siècle, ont établi à partir des équations d'Einstein les équations sur lesquelles se base encore aujourd'hui le modèle cosmologique standard.

[David G29]

Salut vous deux et merci pour vos réponses.
Est ce que un changement d'environnement ou de milieu peux provoquer un décalage?

[A voir en vidéo sur Futura]

[yves95210]

Est ce que un changement d'environnement ou de milieu peux provoquer un décalage?

Oui, bien sûr, et c'est un phénomène qu'on peut observer dans la vie courante :

La vitesse de la lumière dans l'air est peu différente de celle dans le vide, mais elle varie sensiblement dans les divers milieux qu'elle traverse, l'eau, les verres optiques, les milieux organiques qui composent l'œil humain. La fréquence, liée à l'énergie que transporte le rayonnement électromagnétique quand on le considère comme un flux de photons, est invariable. Par conséquent, la longueur d'onde varie selon les milieux traversés.

La variation de vitesse provoque, au passage d'un milieu à un autre, des réfractions. Quand la célérité de la lumière varie, la longueur d'onde varie. Cette variation dépend légèrement de la fréquence, ce qui cause aussi de la dispersion.

[gts2]

Est ce que un changement d'environnement ou de milieu peux provoquer un décalage ?

Oui pour un décalage de longueur d'onde, pas pour la fréquence (donc sans relation avec le titre "décalage spectral")

[stefjm]

Un décalage spectral est aussi un terme générique qui peut concerner la longueur (d'onde), non?

On peut faire de l'analyse spectrale (transformée et série de Fourier) sur un peu tout, de mon point de vu de traitement du signal.

[gts2]

J'ai lancé dans google "décalage spectral" ; les trois premières pages (je n'ai pas été plus loin) concernaient toutes un décalage en fréquence.

[stefjm]

Les raies spectrales sont caractérisées par leur longueur d'onde et dès qu'il s'agit de décalage, cela ne concerne plus que la fréquence?
C'est bien cela?

[gts2]

Non, les raies spectrales sont mesurées/notées en longueur d'onde pour des raisons historiques/pratiques ... (en spectro IR ils utilisent bien les nombres d'onde en cm-1), mais toutes ces longueurs d'onde sont des longueurs d'onde dans le vide, donc à un inverse près et à c près, des fréquences.

[Amanuensis]

La plupart des "décalages spectraux" dont on parle affecte tous les rythmes temporels, pas seulement celui donné par le rayonnement électro-magnétique (lumineux, hertzien, etc.), mais aussi celui de sa modulation éventuelle, ou de toute horloge filmée (imaginons...).

C'est donc bien le décalage en fréquence qui est "premier".

Mais même ainsi, l'appellation est trompeuse. Ce qu'il faut comprendre (dans les cas où cela s'applique) c'est "décalage des rythmes temporels".

Notons que la non prise en compte du décalage du rythme de modulation (alors que le doppler lui avait été pris en compte) a été un bug majeur (et lamentable) de la mission Cassini-Huygens...

[gts2]

Notons que la non prise en compte du décalage du rythme de modulation (alors que le doppler lui avait été pris en compte) a été un bug majeur (et lamentable) de la mission Cassini-Huygens...

Des références ?

[David G29]

Merci pour vos différentes réponses, mais j'avoue, je n'ai pas tous compris.
Dans le cadre de l'astrophysique (décalage vers le rouge), de quoi on parle exactement?

[yves95210]

Des références ?

Celle-ci ?

[gts2]

Dans le cadre de l'astrophysique (décalage vers le rouge), de quoi on parle exactement ?

On parle bien d'un décalage de fréquence traduit en décalage de longueur d'onde dans le vide.

"Est ce que un changement ... de milieu peut provoquer un décalage ?"
Lors d'un changement de milieu, la longueur d'onde change, mais pas la fréquence et donc ce n'est pas un décalage spectral (sauf si quelqu'un contredit ...)

[yves95210]

Merci pour vos différentes réponses, mais j'avoue, je n'ai pas tous compris.
Dans le cadre de l'astrophysique (décalage vers le rouge), de quoi on parle exactement?

Du décalage vers le rouge gravitationnel (effet Einstein), et en cosmologie de celui dû à l'expansion de l'espace.

[Amanuensis]

Des références ?

Pas sous la main. Je me rappelle que cela avait été décrit en détail dans la revue de l'Université de Standford.

(De mémoire et selon ce que j'en avait compris) L'erreur portait sur la liaison entre Cassini et l'atterrisseur Huygens après son largage sur Titan. La vitesse de Cassini relative à Titan était très élevée, et donc la transmission était affectée d'un fort décalage Doppler. Le démodulateur était mal conçu, son horloge non asservie à la fréquence de réception, et la démodulation ne pouvait pas se faire, puisque décalée en rythme par rapport à l'horloge. L'erreur fut découverte sur Terre, pendant le voyage inter-planétaire ; différentes mesures palliatives ont été mises en euvre, dont un changement de mission (le largage de l'atterrisseur fait un autre passage près de Titan que prévu), et la transmission put se faire...

Peut-être qu'avec ces informations une référence peut être retrouvée, sûr que les concepteurs de la mission ne s'en vantaient pas! J'ai trop la flemme de rechercher...

[Amanuensis]

Celle-ci ?

Oups... Je n'avais pas vu le message avant de répondre...

Oui, cela à l'air de ce dont je me souvenais. Je vais le lire pour vérifier que ma mémoire n'avait pas trop déformé l'anecdote.

[yves95210]

"Est ce que un changement ... de milieu peut provoquer un décalage ?"
Lors d'un changement de milieu, la longueur d'onde change, mais pas la fréquence et donc ce n'est pas un décalage spectral (sauf si quelqu'un contredit ...)

Tu as raison.

[gts2]

Pour ce qui est de Cassini-Huygens, le lien fourni par @yves5210 dit :

"Doppler shift effectively causes the data signal to fall outside the bandwidth of the receiver’s"
et
"The Board was unable to find any direct reference at any level of project requirements or subsequent design specifications regarding Doppler shift on the subcarrier or data rate"

Donc si je traduit bien c'est l'effet Doppler non prévu qui a causé le problème, ou j'ai mal compris ?

[yves95210]

Pour ce qui est de Cassini-Huygens, le lien fourni par @yves5210 dit :

"Doppler shift effectively causes the data signal to fall outside the bandwidth of the receiver’s"
et
"The Board was unable to find any direct reference at any level of project requirements or subsequent design specifications regarding Doppler shift on the subcarrier or data rate"

Donc si je traduit bien c'est l'effet Doppler non prévu qui a causé le problème, ou j'ai mal compris ?

Un peu plus loin dans le document :

The tolerance on frequency stability of the subcarrier is wide enough to cover the effects of frequency drift and Doppler shift but unfortunately the specified tolerance on the data stream clock rate is more limited and not wide enough to cover the Doppler frequency shift.

Cela correspond bien à la description du problème par Amanuensis.

[Amanuensis]

Celle-ci ?

Intéressant. Je ne connaissais pas l'histoire des tests pré-mission, et donc comment cette erreur de débutant avait réussi à échapper à tous les tests!

Un passage résume bien " but still the effect of Doppler shift on the subcarrier and bit data rate was missed"... Manqué par les tests, certes, mais par les concepteurs aussi.

Pour moi c'est une illustration de la phrase de A. Camus, "Mal nommer les choses, c'est contribuer au malheur du monde". Id est, parler seulement de "décalage spectral" ne véhicule pas l'idée de décalage de tous les rythmes temporels.

(J'ai des tas d'expériences personnelles sur la problématique du "nommage", sur la difficulté d'anticiper les mauvaises interprétations que peut engendrer un terme choisi trop vite (ou gardé historiquement malgré les progrès des connaissance). Et il y a des tas d'exemples en sciences. C'est un vaste sujet, bien au-delà de cette discussion...)
.

[GBo]

Incroyable bourde à ce niveau de la compétition en effet, je ne la connaissais pas celle là, merci Amanuensis et yves95210 pour le doc.

[yves95210]

D'ailleurs le "décalage des rythmes temporels" dont parle Amanuensis (pas limité au décalage des fréquences du rayonnement électromagnétique) doit aussi avoir des conséquences en cosmologie.

Imaginons deux horloges synchronisées à l'époque de l'émission du CMB (alors que la densité de matière univers était quasi-homogène dans l'univers, à 10^-4 près), l'une dans une zone de surdensité (destinée à devenir une grande structure de l'univers récent), l'autre dans une zone de sous-densité (destinée à devenir un vide cosmique), et admettons que la dilution de la matière dans les vides cosmiques de l'univers récent est due au fait qu'ils ont subi une expansion plus importante, par exemple d'un facteur 2 (ce qui correspond à un facteur 8 en volume et 1/8 en densité de matière).
Imaginons aussi un observateur situé aujourd'hui à égale distance (en temps de parcours de la lumière) de ces deux horloges et muni d'un télescope assez puissant pour en observer les battements (leur seconde propre) et en comparer la fréquence. Constaterait-il que l'horloge située dans le vide cosmique bat deux fois plus vite que celle située dans la grande structure ?
Et, si les horloges indiquent le nombre de secondes écoulées depuis leur synchronisation, constaterait-il que l'"âge de l'univers" mesuré dans le vide est plus élevé que celui mesuré dans la grande structure ? (pas deux fois plus élevé, bien sûr, car ce n'est que progressivement que les intervalles de temps des deux horloges ont divergé)

[stefjm]

ah...
Pour le coup, je n'ai plus du tout honte de ne pas avoir été au clair sur ce sujet!

[Amanuensis]

[...] Constaterait-il que l'horloge située dans le vide cosmique bat deux fois plus vite que celle située dans la grande structure ?
Et, si les horloges indiquent le nombre de secondes écoulées depuis leur synchronisation, constaterait-il que l'"âge de l'univers" mesuré dans le vide est plus élevé que celui mesuré dans la grande structure ? (pas deux fois plus élevé, bien sûr, car ce n'est que progressivement que les intervalles de temps des deux horloges ont divergé)

Très bonne question, que je me pose depuis longtemps à propos de "temps cosmique" dont on parle dans toutes les vulgarisations. Cette idée de "temps cosmique" est, disons, attrayante parce que cela se "confond" aisément avec le temps absolu que l'on a tant de mal à rejeter... Mais elle vient du modèle qu'est FLRW et non d'observations, ni même de réflexion profonde sur la notion de temps.

Une approche du "décalage d'origine gravitationnel" consiste à voir une rotation relative entre le qvecteur énergie-impulsion du rayonnement é.m. et le transport parallèle du qvecteur propre de l'émetteur le long de la trajectoire. Cette rotation a le même effet que la vitesse en RR (et affecte tous les rythmes temporels). Le point crucial est que cette rotation est progressive et est l'effet du tenseur de courbure local à chaque point de la trajectoire, et donc doit être différent selon que c'est passé dans une zone "vide" ou une zone "dense".

Selon cette vue, je pense qu'il y a nécessairement décalage différentiel, et que le "temps cosmique" est un "faux concept", venant de la modélisation simplificatrice qu'est FLRW.

Maintenant, je ne sais pas comment cela se traduit en pratique, car on ne peut pas "voir" le CMB à travers une galaxie, si? (Effet de lentille gravitationnelle ?)

[Amanuensis]

J'ai écrit une connerie, mais cela ne change pas l'argumentation : les qvecteurs du rayonnement (W) et du qv directeur (V) de l'émetteur "tournent" ensemble (l'image est cohérente), mais le transporté du qv directeur est différent (du fait de la "rotation" venant de la courbure) du qv directeur du récepteur (U). Du coup la fréquence mesurée par l'émetteur (l'angle VW) est différente de celle mesurée par le récepteur (UW).

Il s'agit de "rotations hyperboliques"...

Il y a des manières plus "professionnelles" d'exprimer l'idée, dont l'utilisation d'un peu plus de maths, mais j'essaye de rester dans le "verbal", dans la mesure du possible.

[yves95210]

les qvecteurs du rayonnement (W) et du qv directeur (V) de l'émetteur "tournent" ensemble (l'image est cohérente), mais le transporté du qv directeur est différent (du fait de la "rotation" venant de la courbure) du qv directeur du récepteur (U). Du coup la fréquence mesurée par l'émetteur (l'angle VW) est différente de celle mesurée par le récepteur (UW).

Il s'agit de "rotations hyperboliques"...

Il y a des manières plus "professionnelles" d'exprimer l'idée, dont l'utilisation d'un peu plus de maths, mais j'essaye de rester dans le "verbal", dans la mesure du possible.

De toute façon, si on devait aller plus loin dans cette discussion, elle sortirait du cadre du forum "questions de base".

Mais parmi les théoriciens travaillant sur les modèles cosmologiques inhomogènes, certains pensent effectivement que ce problème de "timescape" (comme l'a baptisé David Wiltshire) joue un rôle fondamental (et négligé par les défenseurs du modèle cosmologique standard) dans l'interprétation des observations. J'avais ouvert une discussion sur le sujet dans le forum "pour étudiants avancés" (et j'ai dû y raconter quelques conneries), mais elle a tourné court sans que je sois arrivé à y voir plus clair.

[David G29]

Merci pour vos réponses (même si ça a un peu débordé),

Lors d'un changement de milieu, la longueur d'onde change, mais pas la fréquence et donc ce n'est pas un décalage spectral (sauf si quelqu'un contredit ...)

Je croyais que si la longueur d'ondes changeait, la fréquence changeait inversement proportionnellement, ou j'ai pas bien tous compris.
Les deux ne sont-ils pas liées?

[gts2]

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.