Aberration de la lumière

Description de l'image : Si un observateur voyage à une vitesse très élevée, proche de celle de la lumière, il aura l'illusion de voir devant lui tous les objets de l'Univers, ceux situés devant mais aussi ceux situés derrière. Tous les objets auront tendance à se regrouper dans la direction vers laquelle l'observateur se dirige. C'est cela le phénomène d'aberration de la lumière. De plus, par effet Doppler les longueurs d'onde des sources lumineuses vont se comprimer et le panorama va légèrement bleuir. Enfin, la quantité de lumière va varier considérablement, devenant plus forte devant et plus faible derrière. Source image : Astronoo.

La pluie qui tombe

Nous avons tous observé la pluie qui tombe sur notre pare-brise lorsque nous nous déplaçons rapidement en voiture. Ce phénomène optique bizarre nous fait croire que la pluie tombe vers nous en diagonale alors qu'elle tombe verticalement. Plus nous nous déplaçons rapidement, plus la pluie tombe "penchée". En d'autres termes la direction apparente des gouttes d'eau dépend de la vitesse. Pour ceux qui font de la voile le même phénomène est observable mais cette fois avec le vent. Plus le voilier va vite plus les marins ont l'impression de remonter le vent.

En résumé, lorsqu'on est à l'arrêt la pluie tombe verticalement, la source des gouttes d'eau est au-dessus de notre tête. Plus on se déplace rapidement plus la source des gouttes d'eau nous apparait dans la direction de notre déplacement, c'est-à-dire devant nous. Ce phénomène optique que nous observons pour la pluie se passe aussi pour le vent, plus notre voilier va vite et plus la direction apparente du vent semble être dans la direction de notre déplacement.

Ce phénomène optique va aussi concerner la lumière. C'est James Bradley (1693-1762) qui dit-on a eu l'idée d'appliquer ce phénomène à la lumière après un voyage en voilier sur la Tamise en compagnie d'un marin qui lui a expliqué le phénomène. En 1725, en étudiant les variations de la position apparente de l'étoile γ Draconis, Bradley comprit le phénomène.

Ce phénomène relativiste non intuitif s'appelle l'Aberration de la Lumière. L'aberration est donc le changement de la direction apparente d'un signal quand on se déplace. Plus on va vite plus le décor semble se ramasser vers l'avant dans le sens du déplacement. Inversement l'arrière du décor s'élargit.

Si un observateur voyage à la vitesse de la lumière, il aura l'illusion surprenante de voir devant lui, tous les objets situés devant mais aussi tous les objets situés derrière.

L'effet Doppler

Un autre effet se produit lorsque nous nous déplaçons rapidement, c'est l'effet Doppler. Cet effet est bien connu car nous avons tous entendu le son d'une ambulance qui vient vers nous puis s'éloigne. Lorsque l'ambulance s'approche de nous le son de la sirène est plus aigu, lorsqu'elle s'éloigne le son de la sirène est plus grave.

Ce phénomène concerne aussi les ondes lumineuses. Alors que pour le son c'est la tonalité qui varie, pour la lumière c'est la couleur. Lorsqu'on se rapproche d'une source lumineuse, la longueur d'onde se comprime et la source lumineuse va légèrement bleuir. Lorsqu'on s'en éloigne, la longueur d'onde de la source lumineuse s'étire vers le rouge, elle va légèrement rougir.

Quantité de lumière

Un autre effet vient se rajouter aux précédents lorsque nous nous déplaçons rapidement. Avec la vitesse de déplacement, le flux de lumière va augmenter de la même manière que le flot d'une rivière lorsqu'on se déplace rapidement sur l'eau.

Le débit apparent de la rivière semble plus important qu'à l'arrêt. Quand on se déplace à une vitesse proche de celle de la lumière, la quantité de lumière varie considérablement, devenant plus forte devant et plus faible derrière. Au point de voir une lumière complètement saturée devant et le noir complet derrière.

N. B. : Entre la longueur d'onde (λ) et la fréquence (ν) existe la relation suivante : ν = c / λ où ν = fréquence d'onde en hertz, c = vitesse de la lumière dans le vide en m/s et λ = longueur d'onde en mètre.