La dérive vers le rouge des galaxies :

4.3.1 Introduction :

Le “Red shift”, selon l’expression anglaise couramment utilisé pour désigner la dérive vers le rouge des raies spectrales émises par les galaxies lointaines, est habituellement attribuée à l’effet Doppler. Cette théorie a été développée par E.P Hubble en 1929 (Hubble E. , 1929).

Dans le même temps, d’autres physiciens ont considéré que ce décalage pouvait également être attribué à un phénomène inconnu baptisé " la fatigue du photon" par Fritz Zwicky (Zwicky, 1929). Selon cette théorie, lors de leur très long voyage, des millions d’années, les photons pourraient perdre une partie de leur énergie, donc présenter au cours de leur voyage une longueur d’onde de plus en plus grande. Comme de nombreuses théories physiques, l’unanimité du collège d’experts est loin d’être établie sur ce sujet.

Mais ces deux possibilités correspondent à deux analyses différentes : la première, ondulatoire, basée sur un effet Doppler supposé, la seconde, quantique. La première n’est pas compatible avec la physique classique (Hubble E. , 1935). La seconde n’est pas cohérente avec les concepts quantiques puisque de nombreux petits chocs successifs devraient conduire à un décalage progressif de l’énergie des photons tout en conservant le plan d’onde.

Existe-t-il d’autres explications plus conformes aux principes de la physique rappelés par Poincaré dans le mémoire de Palerme (Poincaré, Rendiconti del Circolo Matematico de Palermo, 1905)? L’objectif de ce document est de tenter d’apporter un éclairage nouveau à cette question.

Pour savoir si une dérive spectrale peut apparaître autrement que par effet Doppler, nous allons adopter un ensemble de modèles décrivant les différents éléments intervenant dans la chaîne de transmission, de la source de rayonnement au récepteur.

Nous mettrons alors en cause certains résultats mathématiques de temps en temps appliqués en astronomie. Ensuite, nous montrerons qu’il est parfaitement possible que la propagation des ondes pendant des millions d’années-lumière introduise un décalage en longueur d’onde analogue à un effet Doppler.

Enfin, avant de conclure, nous chercherons à quantifier les différences que présenteraient ces deux processus. L’analyse de celles-ci devrait permettre de valider ou d’infirmer l’hypothèse actuelle supposant l’existence d’un effet Doppler, mais aussi à mettre en doute certains des résultats les plus récents des recherches en astronomie.

4.3.2 La modélisation de la chaine de transmission :

L’étude du rayonnement des galaxies lointaines suppose la modélisation de l’ensemble des éléments intervenant dans la chaine de transmission. Ces éléments sont les suivants :

4.3.2.1 L’onde propagée :

Nous devons considérer la propagation de cette onde sur une distance immense entre la Terre et la source lumineuse, ici une supernova d’une galaxie lointaine. Sauf au voisinage immédiat de la source, cette onde peut être assimilée à une onde plane. Nous retiendrons donc, dans les calculs, ce modèle particulièrement simple.

Les signaux étudiés sont des raies spectrales des ondes optiques aux ondes décimétriques.

Ceux-ci sont des bruits à bande étroite, de longueur de cohérence extrêmement faible par rapport aux distances interstellaires.

Nous prendrons donc comme modèle une onde plane se propageant à la vitesse c selon l’axe de propagation. Cette onde ne comporte aucune fréquence pure et possède, dans sa direction de propagation une longueur de cohérence courte correspondant à sa bande spectrale, c'est-à-dire à la largeur de la raie observée. Elle est donc comparable à une somme d’impulsion RADAR de forme gaussienne et de durée T. L’onde plane réelle émise par l’étoile peut alors être représentée par une somme de paquets plans indépendants de durée T.

Figure 17 : Le modèle de paquet émis (Impulsion gaussienne).

L’onde pouvant être représentée par un ensemble de ces paquets, l’étude de la propagation d’un seul de ceux-ci suffit à décrire complètent la propagation de la raie émise par la galaxie lointaine.

4.3.2.2 Le milieu de propagation :

Le milieu de transmission est le vide sidéral dont on sait qu’il contient des ions et des molécules très dispersées, qui seraient sans effet sur la propagation des ondes électromagnétiques. Nous supposerons dans un premier temps, l’absorption de ce milieu négligeable.

Les molécules ou ions présents dans ce milieu ne peuvent qu’introduire des diffractions locales. Si ce milieu de propagation n’était pas transparent, ces molécules conduiraient à une absorption. Lors d’un choc, elles transformeraient en énergie mécanique une partie de l’énergie électromagnétique transportée par l’onde. Cette absorption n’a pas été mise en évidence, ce qui est explicable en raison de la très faible densité du milieu, et de l’absence de moyen permettant sa mesure directe. Nous pouvons donc la négliger dans un premier temps.

Toutefois, les inhomogénéités du milieu doivent nécessairement conduire à une diffraction dans l’espace. Comment une inhomogénéité locale du milieu de propagation pourrait-elle n’avoir aucun effet sur la propagation des ondes ?

Les ondes propagées étant quasiment planes, les particules dispersées dans le milieu de propagation ne peuvent avoir un effet mesurable que dans la seule direction dans laquelle leurs effets s’ajoutent en phase les uns avec les autres, c’est-à-dire la direction de propagation de l’onde.

Il n’apparaît donc pas de lumière diffusée mais seulement une modification de la propagation.

4.3.3 La caractérisation de la propagation :

Une raie spectrale ne peut être caractérisée que par son spectre de puissance, c’est-à-dire par le spectre de sa fonction d’autocorrélation.

En l’absence d’absorption, les énergies transmises aux points d’abscisse L de L+dl, observées pendant la durée T du paquet propagé doivent être identiques. L’onde étant plane et l’absorption nulle, la modification du signal transmis ne peut être que son spectre. Par convention, la fréquence centrale de la raie est prise comme unité.

Figure 18 : Spectre de la raie au point L.

Le signal reçu au point L+dl correspond à la somme entre une partie de l’onde transmise au point L et de la diffraction par les particules. Comme dans le cas de couplages électriques ou mécaniques, un déphasage de 90° est introduit entre ces deux ondes.

Figure 19 : Ondes émises en L (courbe continue) et reçues en L+dl (courbe pointillé).

La diffraction conduit à une modification du spectre en fréquences spatiales du paquet propagé. Les effets, intentionnellement exagérés pour rendre l’effet visible, montre comme prévu un décalage vers les fréquences basses, donc vers le rouge.

Figure 20 : Spectre avant (courbe continue) et après propagation (courbe pointillée).

Ce décalage vers le rouge est alors exponentiellement cumulable au cours de la propagation, sous certaines réserves que nous allons étudier.

Enfin, le spectre de l’onde au point L+dl est plus étroit que celui au point L. La figure 21 illustre cette modification :

Figure 21 : variation de la largeur de bande.

- Courbe rouge : spectre initial au point L, - Courbe pointillée bleue : spectre au point L+dl,

- Courbe verte : différence des spectres aux points L et L+dl (multipliée par 20).

Une fois les fréquences centrales des spectres observés aux points L et L+dl superposé, la différence montre très clairement un rétrécissement de la bande spectrale du signal.

4.3.4 Un résultat paradoxal :

Ce décalage en fréquence est contraire à ce que nous avons appris. En effet, nous savons qu’en l’absence de mouvement relatif de la source, du récepteur ou de l’environnement, les

signaux observés en tous points de l’espace sont constants et que leur fréquence est celle de la source.

Ce résultat n’est en fait valide que dans la mesure où nous raisonnons sur des fréquences pures. Si nous regroupions de façon répétitive les paquets de durée T les uns derrière les autres, nous obtiendrions une fréquence pure, d’amplitude constante. Dans ce cas, aucune dérive de la fréquence centrale de l’onde ne pourrait avoir lieu.

En réalité, une raie d’émission n’est pas une fréquence pure, mais un bruit bande étroite.

Elle peut être représentée par une suite de paquets modèle dont les amplitudes et les phases relatives sont aléatoires. La fonction d’autocorrélation du signal global est alors celle du seul paquet modèle retenu dans le calcul de diffraction.

Vous noterez sur la figure 19 qu’au point L+dl, la longueur d’onde apparente du paquet modèle est supérieure à sa valeur initiale au point L. Les radioélectriciens reconnaîtront dans cet exemple une illustration de la théorie des plasmas. Dans un plasma, la longueur d’onde d’une source monochromatique est supérieure à sa valeur dans le vide. La vitesse de phase est alors supérieure à la vitesse "c" de la lumière dans le vide, la vitesse de groupe restant inférieurs à celle-ci.

En revanche, lorsque les signaux sont à bande large, les interférences entre les trajets multiples modifient les spectres reçus dans les différents points de l’espace. Toutefois, les amplitudes et les phases des paquets modèles étant aléatoires, la fonction d’autocorrélation du signal reste celle d’un seul paquet modèle. Il n’est donc pas surprenant que la fréquence centrale d’un signal de type bruit bande étroite soit modifié par la propagation. Dans le cas des galaxies lointaines, le nombre de cellules de propagation traversées est considérable. Les fluctuations d’un milieu, loin d’être un vide parfait, se cumulent au cours du temps. Il n’est alors pas étonnant que la fréquence centrale du signal reçu soit différente de celle du signal émis par la source.

4.3.5 Une confrontation avec les faits:

L’analyse précédente a montré que le décalage vers le rouge des raies des supernovæ n’est pas nécessairement due à un effet Doppler. Une étude mathématique, basée sur l’utilisation des lois de l’électromagnétisme classique, montre qu’il existe une hypothèse différente. Toujours très attaché à marcher dans les traces de Maurice Allais, nous allons tenter de voir si des faits peuvent permettre de départager ces deux théories.

4.3.6

Initialement, nous avons supposé dans cette étude que l’atténuation introduite par le milieu est nulle. Cette hypothèse est faite dans la théorie de l’expansion de l’univers. Des différences entre dérive vers le rouge et la magnitude des supernovæ ont été observées. Selon l’interprétation de récents prix Nobels de physique, le décalage vers le rouge du rayonnement des galaxies aurait été plus faible dans le passé, au moment de l’émission des signaux lumineux actuellement reçus. Ils en ont conclu que l’expansion de l’univers est accélérée (Ignasse, 2011).

Figure 22 : Redshift et magnitudes des supernovæs.

Pierre Fuerxer a annoncé dès 2011 (Fuerxer, La physique du 21° siècle sera-t-elle ondulatoire?, 2011) que les courbes liant le décalage vers le rouge et la magnitude des galaxies peuvent s’expliquer naturellement en admettant l’hypothèse d’un effet Doppler constant résultant d’une expansion tri -dimensionnelle constante de l’univers. La courbe expérimentale correspond au calcul du décalage vers le rouge (Z dans la littérature scientifique) est donnée par l’intégrale suivante:

( ) ( )

x k dx k x z

=  +



=



=

+



1

) 1 log(

Dans cette formule, Z est le décalage vers le rouge et "x" la distance parcourue par l’onde.

L’atténuation du rayonnement des étoiles est alors modélisée par le taux de dilution du rayonnement résultant de la dilatation de l’espace. La magnitude des supernovæ est alors:

En supposant une absence d’atténuation par le milieu, un choix du coefficient k permet de faire coïncider avec les observations les valeurs théoriques données par ces deux formules.

En fait, cette concordance ne démontre absolument rien. Ce résultat montre seulement qu’il existe un facteur correctif exponentiel permettant de lier le décalage vers le rouge et la magnitude des supernovæs.

( )

( ^{x z} ) ^Cte

M = 2 . 5  log

 1 +

+

Les facteurs correctifs 1+Z et (1+Z)³ sont arbitraires. Bien d’autres couples de facteurs correctifs pourraient être choisis. Ils ont comme seul effet de modifier la relation entre le décalage vers le rouge et la distance. En effet, la distance n’est liée linéairement au facteur Z que pour les faibles décalages spectraux. Dès que les décalages sont importants, la relation n’est plus linéaire mais devient exponentielle.

Enfin, une atténuation des ondes par le milieu de propagation conduirait à un facteur tout à fait analogue. Ces différentes hypothèses ne suffisent donc pas à séparer les facteurs intervenants et de déterminer une formule théorique reliant la distance aux différentes grandeurs physiques. Il est bien évidemment impossible d’affirmer quoi que ce soit sur l’expansion de l’univers.

4.3.7 Un choix alternatif : la théorie des plasmas.

Nous savons qu’en dessous d’une fréquence critique, un plasma modifie la vitesse de propagation et atténue les ondes électromagnétiques. Cette atténuation, que nous avons négligée jusqu’à présent dans l’hypothèse de l’effet Doppler, permet de rendre compte d’une atténuation des ondes optiques en excès sur la valeur du décalage vers le rouge du rayonnement.

Avec cette approche électromagnétique, l’introduction d’une atténuation liée aux paramètres du plasma intergalactique, permettrait d’ajuster les résultats théoriques aux mesures.

Cette explication "physique" est particulièrement intéressante. Elle permet de raisonner dans un espace euclidien et d’appliquer facilement à l’univers entier tous les principes de la physique : conservation de la masse de l’énergie…

De plus, une modélisation électromagnétique fine du plasma intergalactique pourrait permettre d’établir des relations théoriques liant dérive vers le rouge et atténuation, et donc, grâce à la fixation du facteur k, d’obtenir les vraies distances des galaxies.

4.3.8 Des validations nécessaires:

Pour valider cette nouvelle hypothèse, il reste à montrer que l’effet de ce plasma de très faible densité est un décalage vers le rouge conforme aux observations. De nombreuses vérifications restent à faire parmi lesquelles les suivantes dont l’importance n’échappera à personne.

Et c’est tout la, l’immense et passionnante histoire de la science physique. Henri Poincaré disait :

« La vérité recule, mais le savant avance ». Un homme qui avait conscience de l’effet Dunning-Kruger.

4.3.9 Indépendance de la longueur d’onde :

Les particules responsables du décalage vers le rouge sont petites devant la longueur d’onde : - Nous savons que la SER (Surface Equivalente RADAR : mesure de la puissance diffractée) d’une cible petite par rapport à la longueur d’onde est en 1/λ². L’amplitude du champ rayonné est donc en 1/λ.

- D’autre part, le déphasage de l’onde diffractée a été supposé proche de π/2. L’allongement de la période apparente de l’onde est alors une fraction de la longueur d’onde λ.

Selon cette hypothèse, la variation apparente de la longueur d’onde produite par chaque élément diffractant serait, tout autant que l’effet Doppler, indépendante de la fréquence. Cette hypothèse est donc parfaitement recevable.

4.3.10 Indépendance de la largeur de la raie :

Ce point est assez délicat. Le calcul de décalage vers le rouge a été fait dans l’hypothèse d’une indépendance des paquets successifs d’enveloppe gaussienne. Cette condition impose un choix particulier de paquet pour chaque raie d’émission. Il ne semble pas possible de répondre à cette question sans faire intervenir un modèle plus fin de rayonnement stellaire.

4.3.11 Des différences fondamentales entre ces deux hypothèses :

L’hypothèse de l’expansion de l’univers et la nouvelle analyse proposée ici, basée sur la théorie des plasmas, sont fondamentalement différentes.

La première, est universellement reconnue. Elle procède d’une démarche déductive.

L’universalité des lois de la physique, et l’hypothèse d’une transparence totale du vide sidéral conduisent à admettre l’existence d’un effet Doppler, et donc la théorie du BIG BANG.

Au contraire, la seconde correspond à une démarche inductive qui a été, de toujours, celle des physiciens. Elle consiste à prendre en compte les résultats obtenus dans des domaines aussi variés que le RADAR, les télécommunications ou le traitement du signal.

Cette nouvelle théorie, basée sur les propriétés des plasmas, peut être utilisée pour décrire des phénomènes encore inexpliqués. En premier lieu, elle justifie la présence du rayonnement appelé "rayonnement fossile". Comment un rayonnement se déplaçant à la vitesse de la lumière aurait-il pu rester dans un espace fini, fut-il en expansion ? Pour cette nouvelle théorie, ce rayonnement correspondrait directement au rayonnement du plasma intergalactique et son énergie serait prélevée sur les ondes électromagnétiques émises par les étoiles.

Ensuite, la nouvelle théorie peut être utilisée pour expliquer les dérives "anormalement élevées" parfois observées dans l’univers. Elles devraient correspondre à des zones de plasma plus denses modifiant plus radicalement les ondes qui les traversent.