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Décalage vers le rouge : longueur d'onde, vitesse et distance de Hubble

À partir du décalage z, trouvez la longueur d'onde observée d'une raie, la vitesse de fuite équivalente et, pour les galaxies proches, la distance selon la loi de Hubble.

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km/s/Mpc

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Résultats

Longueur d'onde observée

721,91 nm

Vitesse Doppler relativiste

28 487 km/s

Vitesse en part de la vitesse de la lumière
9,50 %
Distance selon la loi de Hubble, cz ÷ H₀ (valable pour z inférieur à 0,1 environ)
428 Mpc
Même distance en milliards d'années-lumière
1,397 milliards d'a.l.
Facteur d'échelle de l'Univers à l'émission, 1 ÷ (1 + z)
0,9091

Qu’est-ce que le décalage vers le rouge ?

Quand une source de lumière s’éloigne de nous, ou quand l’espace qui nous sépare s’étire, sa lumière nous parvient à des longueurs d’onde plus grandes : elle est décalée vers le rouge du spectre. Les astronomes mesurent ce décalage vers le rouge par la lettre z :

z = (λobservée − λrepos) ÷ λrepos

Une raie dont la longueur d’onde au repos est connue, comme la raie rouge H-alpha de l’hydrogène à 656,28 nm, montre de combien la lumière d’une galaxie a été étirée. Un z négatif est un décalage vers le bleu : l’objet se rapproche, comme la galaxie d’Andromède.

Du décalage à la vitesse

Pour un petit z, la vitesse de fuite vaut environ v ≈ c × z. Pour des valeurs plus grandes, cette forme simple dépasserait la vitesse de la lumière ; le calculateur utilise donc la formule Doppler relativiste :

v = c × ((1 + z)² − 1) ÷ ((1 + z)² + 1)

Pour les galaxies lointaines, le décalage vient surtout de l’expansion de l’espace et non d’un déplacement dans l’espace : cette vitesse est une façon commode d’exprimer z plutôt qu’une vitesse au sens propre.

Du décalage à la distance

La loi de Hubble-Lemaître, du nom de l’astronome américain Edwin Hubble et du physicien belge Georges Lemaître, dit que les galaxies proches s’éloignent à une vitesse proportionnelle à leur distance : v = H₀ × d. D’où :

distance ≈ cz ÷ H₀

Exemple

Une galaxie présente un décalage z = 0,1, avec H₀ = 70 km/s/Mpc :

Résultat Valeur
Raie H-alpha observée à 721,91 nm
Vitesse Doppler relativiste 28 487 km/s (9,50 % de c)
Distance de Hubble 428 Mpc
En années-lumière environ 1,397 milliard
Facteur d’échelle à l’émission 0,9091

Le facteur d’échelle 1 ÷ (1 + z) signifie que l’Univers faisait environ 91 % de sa taille actuelle quand cette lumière est partie.

Limites

La distance de Hubble simple vaut pour z inférieur à 0,1 environ. Au-delà, l’histoire de l’expansion compte, et les astronomes distinguent plusieurs distances (comobile, de luminosité, angulaire). Utilisez alors un calculateur cosmologique fondé sur un modèle complet.

La constante de Hubble

La valeur de H₀ fait débat. Les mesures du fond diffus cosmologique par le satellite Planck donnent environ 67 à 68 km/s/Mpc, celles des céphéides et des supernovæ proches environ 73. Cette tension de Hubble modifie les distances d’environ 8 %.

Conseils

  • Toutes les longueurs d’onde sont multipliées par le même facteur (1 + z) : n’importe quelle raie connue convient.
  • Les galaxies les plus lointaines observées par le télescope spatial James Webb ont un z supérieur à 10 : leur lumière ultraviolette nous arrive dans l’infrarouge.

Questions fréquentes

Qu'est-ce que le décalage vers le rouge ?

L'allongement des longueurs d'onde de la lumière : z = (λobservée − λrepos) ÷ λrepos. Un z de 0,1 signifie que chaque longueur d'onde est 10 % plus longue qu'à l'émission.

Quel lien entre décalage et vitesse ?

Pour un petit z, la vitesse vaut environ c × z. Pour un z plus grand, la formule Doppler relativiste garde la vitesse sous celle de la lumière ; en cosmologie, le décalage vient de l'expansion de l'espace plutôt que d'un mouvement dans l'espace.

Comment déduire une distance du décalage ?

Pour les galaxies proches, la loi de Hubble-Lemaître donne distance = cz ÷ H₀. Avec H₀ = 70 km/s/Mpc, z = 0,1 correspond à environ 428 mégaparsecs, soit près de 1,4 milliard d'années-lumière.

Pourquoi la constante de Hubble a-t-elle plusieurs valeurs ?

Les mesures tirées du fond diffus cosmologique donnent environ 67 à 68 km/s/Mpc, celles des supernovæ proches environ 73. Cet écart s'appelle la tension de Hubble.

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Résultats indicatifs fournis à titre d'information. Ils ne remplacent pas l'avis d'un professionnel.