Le redshift est le décalage de la lumière vers les grandes longueurs d'onde. Il mesure vitesse, expansion cosmique et gravitation — et c'est la règle à mesurer l'Univers lointain.
Vous êtes sur un trottoir quand une voiture de pompiers passe devant vous en trombe. La sirène émet la même note, mais vous la percevez aiguë quand le camion s'approche, puis grave quand il s'éloigne. C'est l'effet Doppler. Le redshift, c'est exactement ça, mais appliqué à la lumière plutôt qu'au son. Quand une source lumineuse s'éloigne, toutes ses longueurs d'onde sont allongées — les raies spectrales du bleu glissent vers le vert, celles du vert vers l'orange, celles du rouge vers l'infrarouge. La lumière « rougit ». À l'inverse, une source qui s'approche bleuit.
La quantité mesurée est un nombre sans dimension :
z = (λ_observée - λ_émise) / λ_émise
Une galaxie à z = 0,01 est décalée de 1 % — donc elle fuit à ~3 000 km/s (galaxie de l'Amas de la Vierge). Une galaxie à z = 1 voit sa lumière doublée en longueur d'onde — son rayonnement ultraviolet nous arrive dans le visible. Une galaxie à z = 6 voit sa longueur d'onde multipliée par 7 — le visible d'émission devient infrarouge lointain, le domaine royal du James Webb.
Point pédagogique central. Le redshift existe sous trois formes distinctes qui donnent toutes le même type de spectre décalé. Premier : le redshift Doppler, dû au mouvement propre de la source dans l'espace (étoile binaire en orbite, exoplanète qui fait osciller son étoile, galaxie qui tombe vers un amas). Deuxième : le redshift cosmologique, dû à l'étirement de l'espace lui-même pendant le trajet de la lumière. Troisième : le redshift gravitationnel, prédit par la relativité générale, quand la lumière sort d'un puits de potentiel gravitationnel.
Dans la vraie vie, les trois peuvent se superposer. Pour une galaxie à z = 0,05, le cosmologique domine (expansion dominante). Pour une étoile binaire, le Doppler domine. Pour une raie issue de la surface d'une naine blanche, le gravitationnel contribue significativement (~100 km/s de shift apparent). C'est à l'astrophysicien de démêler les composantes.
La formule de base est élégamment simple :
z = Δλ / λ = (λ_obs - λ_em) / λ_em
Pour les faibles redshifts (z ≪ 1), la relation avec la vitesse est linéaire :
v ≈ c · z
Mais pour les redshifts relativistes, la formule correcte (Doppler relativiste) devient :
1 + z = √((1 + β)/(1 - β))
avec β = v/c. À z = 1, v ≈ 0,6 c. À z = 3, v ≈ 0,88 c.
Pour le redshift cosmologique, la formule relie 1 + z au facteur d'échelle de l'Univers :
1 + z = a(t_obs) / a(t_em)
Où a(t) est la taille relative de l'Univers à l'instant t. À z = 1, l'Univers avait la moitié de sa taille actuelle. À z = 10, un onzième. À z = 1 090 (émission du CMB), l'Univers était 1 091 fois plus petit — soit un millième environ.
Records observationnels.
• Étoiles : mouvement propre dans la Voie lactée → z ≪ 10⁻³. • Galaxies proches : Virgo à z = 0,004, Coma à z = 0,023. • Quasars brillants typiques : z ≈ 0,5-3. • Quasar le plus lointain connu : J0313-1806 à z = 7,64 (2021). • Galaxies JWST : JADES-GS-z14-0 à z = 14,3 (2024) → lumière émise quand l'Univers avait ~300 millions d'années. • CMB : z = 1 090 → fond diffus cosmologique, plus ancien photon observable.
Le redshift est la variable cosmologique fondamentale. Tout l'Univers lointain se mesure en z.
Comprendre la différence entre les trois types est essentiel.
Redshift Doppler. La source se déplace dans l'espace par rapport à l'observateur. Formule : z ≈ v/c (non-relativiste) ou Doppler relativiste pour les grandes vitesses. Exemples : étoiles binaires spectroscopiques, étoiles variables pulsantes, exoplanètes détectées par vitesse radiale (méthode qui a fait 51 Pegasi b en 1995, Nobel 2019 à Mayor et Queloz), mouvement propre des étoiles de la Voie lactée. Décalages typiques de quelques km/s à quelques centaines de km/s.
Redshift cosmologique. Causé par l'étirement de l'espace entre la source et l'observateur pendant que la lumière voyage. Ce n'est pas un effet Doppler au sens strict : la source est immobile dans son propre référentiel, c'est l'espace qui grandit. Formule exacte : 1 + z = a(t_obs)/a(t_em). Relié aux paramètres cosmologiques (H₀, Ω_m, Ω_Λ) via l'équation de Friedmann. Régit la quasi-totalité des redshifts galactiques au-delà de 10 Mpc.
Redshift gravitationnel. Prédit par la relativité générale en 1915 : une onde lumineuse perd de l'énergie en sortant d'un puits de potentiel gravitationnel. Formule approchée pour un champ faible :
z_grav ≈ GM / (Rc²)
Vérifié pour la première fois en 1959 par l'expérience Pound-Rebka (Harvard, sur 22,5 m dans une tour, précision 1 %). Exemples concrets :
• Surface du Soleil : z ≈ 2 × 10⁻⁶ (tout petit). • Surface d'une naine blanche : z ≈ 3 × 10⁻⁴ (~100 km/s apparents). • Surface d'une étoile à neutrons : z ≈ 0,3 (significatif). • Proche de l'horizon d'un trou noir : z → ∞.
Le GPS est le cas pratique le plus familier : les horloges atomiques à bord des satellites tournent plus vite que les nôtres (moindre gravité), et la correction gravitationnelle doit être appliquée en permanence pour conserver une précision métrique.
La technique : la spectroscopie. On étale la lumière d'une source en ses longueurs d'onde (prisme ou réseau diffractant) et on repère les raies d'émission ou d'absorption caractéristiques des éléments chimiques (hydrogène Hα à 656,3 nm au repos, raies de calcium H et K à 397 et 393 nm, raie Lyman-α à 121,6 nm, raies du fer, du magnésium, etc.). Si ces raies apparaissent décalées, on mesure z.
Instruments. Les plus grands télescopes au sol (VLT, Keck, GTC) et leurs spectrographes haute résolution (ESPRESSO au VLT, HIRES au Keck). Les missions spatiales : Hubble (STIS, COS), James Webb (NIRSpec, MIRI) pour les sources infrarouges à très haut z. Les grands relevés spectroscopiques de galaxies : SDSS (2000-présent, 5 millions de spectres), eBOSS, DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument, 40 millions de spectres prévus d'ici 2026).
Redshift photométrique. Pour les sources trop faibles pour un spectre, on estime z à partir de photométrie multi-bande (6 à 10 filtres). Moins précis (~5-10 % vs 10⁻⁴ en spectroscopie), mais applicable à des millions de galaxies. Clef des relevés de lentillage faible (Euclid, LSST).
Utilisations astrophysiques. Vitesses radiales stellaires (exoplanètes par RV), cinématique galactique (courbes de rotation d'où la matière noire), cartographie 3D de l'Univers (z en coordonnée radiale), horloge cosmique (paradoxe : plus z est grand, plus loin dans le passé on regarde).
Un exemple amateur. Avec un spectroscope modeste (Alpy 600 + lunette 80 mm), on peut mesurer le redshift de quasars brillants comme 3C 273 (z = 0,158) depuis son jardin. La raie Hβ décalée de 97 nm est visible à l'œil sur le spectre enregistré. Émerveillement garanti : c'est la lumière d'un quasar partie il y a 2,4 milliards d'années qui vient finir sa course dans votre capteur.
Plusieurs confusions classiques sur le redshift méritent d'être levées.
Rougissement interstellaire. Complètement différent. La poussière interstellaire diffuse davantage les courtes longueurs d'onde (bleu) que les longues (rouge), donc la lumière traversant un milieu poussiéreux paraît plus rouge. Mais les raies spectrales ne bougent pas — seule l'enveloppe continue est modifiée. Le redshift, lui, décale l'ensemble des raies proportionnellement à leur longueur d'onde.
Effet Doppler. Le redshift Doppler est un cas particulier de redshift. Mais le redshift au sens général inclut aussi les effets cosmologique et gravitationnel, qui ne sont pas des effets Doppler. Pour une galaxie lointaine à z = 5, parler de « vitesse de récession » via v = c·z donne des valeurs dépassant c et n'a pas de sens physique strict — ce n'est pas du Doppler, c'est de l'espace qui s'étire.
Redshift cosmologique vs. Doppler. Pour les petits z (z ≪ 0,1), les deux donnent le même résultat numérique et on peut les traiter indifféremment. Pour les grands z, ils divergent : le cosmologique n'est pas un mouvement à travers l'espace.
Blueshift. C'est le redshift inversé : une source qui s'approche émet de la lumière décalée vers les courtes longueurs d'onde. La Galaxie d'Andromède est la source blueshiftée la plus célèbre du ciel (v ≈ -110 km/s vers nous).
Redshift et âge apparent. Lire « galaxie à z = 10 » ne signifie pas qu'elle est à 10 milliards d'années-lumière — la relation z → distance est non-linéaire et dépend de la cosmologie. À z = 10, la galaxie est observée telle qu'elle était ~13 milliards d'années dans le passé, mais sa distance comobile actuelle est ~30 milliards d'années-lumière.
Pas exactement. Le redshift Doppler est un cas particulier du redshift, causé par le mouvement relatif d'une source dans l'espace. Mais il existe aussi le redshift cosmologique (étirement de l'espace lui-même pendant le trajet de la lumière) et le redshift gravitationnel (lumière sortant d'un puits de potentiel, prédit par la relativité générale). Pour les faibles décalages (z ≪ 0,1), les trois donnent des formules quasi-identiques, mais leurs interprétations physiques diffèrent.
Non, surtout pas. La formule naïve v = c·z ne s'applique qu'aux petits z. Pour les grands redshifts cosmologiques, on utilise la formule relativiste ou, mieux, on raisonne directement en facteur d'échelle : 1 + z = a(now) / a(emission). À z = 10, l'Univers était 11 fois plus petit qu'aujourd'hui au moment de l'émission. La lumière a voyagé ~13 milliards d'années, et la galaxie se trouve aujourd'hui à une distance comobile de ~30 milliards d'années-lumière — sans jamais violer la relativité restreinte localement.
Oui, à condition d'ajouter un spectroscope. Le setup typique amateur : lunette ~80 mm + spectroscope Alpy 600 (Shelyak) ou Star Analyser 100 + caméra CMOS. Cibles accessibles : étoiles brillantes (Doppler stellaire mesurable à ~10 km/s), puis quasar 3C 273 à z = 0,158 (vers magnitude 12,8 dans la Vierge) dont la raie Hβ décalée est clairement visible. C'est la lumière d'un quasar partie il y a 2,4 milliards d'années qui vient exciter votre capteur — une des expériences les plus émouvantes de l'astronomie amateur.
Actuellement JADES-GS-z14-0, détectée par le télescope James Webb et confirmée spectroscopiquement en mai 2024. Redshift z = 14,32. La lumière observée a été émise quand l'Univers n'avait que ~290 millions d'années, soit ~2 % de son âge actuel. C'est la sixième fois en deux ans que le record tombe — JWST repousse constamment les frontières de l'Univers primitif. La précédente détentrice, JADES-GS-z13-0 à z = 13,2, datait de 2023.