Effet Doppler en astronomie : redshift et blueshift

En 1912, à l'observatoire Lowell de Flagstaff, Vesto Slipher pointe son spectrographe vers la nébuleuse d'Andromède et mesure un décalage vers le bleu dans son spectre. Un siècle plus tard, c'est le même principe de mesure, appliqué avec des instruments qu'il n'aurait pas imaginés, qui sert de socle à la cosmologie observationnelle. Ce qui s'est perdu en route, c'est la distinction entre deux phénomènes très différents que le même mot recouvre.

L'effet Doppler en astronomie décale la lumière d'un objet vers le rouge (redshift) s'il s'éloigne, vers le bleu (blueshift) s'il s'approche. Mais ce décalage recouvre deux phénomènes distincts : le Doppler cinématique, dû au déplacement réel de l'objet dans l'espace, et le Doppler cosmologique, dû à l'expansion de l'espace lui-même. Les confondre fausse l'interprétation de toutes les mesures de distance cosmique.

L'idée de base ne demande pas un doctorat. Une source lumineuse qui s'éloigne étire les longueurs d'onde qu'elle émet, le spectre glisse vers le rouge. Une source qui s'approche les compresse, le spectre glisse vers le bleu. C'est le même mécanisme physique que la sirène d'ambulance qui change de hauteur en passant devant vous, appliqué à la lumière plutôt qu'au son.

En pratique, les astronomes ne mesurent pas la couleur globale d'un objet, ils comparent la position de raies spectrales connues (celles de l'hydrogène, par exemple) à leur position de référence en laboratoire. Ce sont les mêmes raies qui permettent de classer les étoiles par type spectral, à ceci près qu'ici on ne regarde pas leur forme mais leur position décalée. L'écart entre les deux donne la vitesse radiale, c'est-à-dire la composante du mouvement dirigée vers nous ou en sens inverse : rien sur le mouvement latéral, seulement sur l'axe de visée, celui qu'on repère par ascension droite et déclinaison.

C'est le point que la plupart des pages généralistes glissent sous le tapis, et c'est pourtant celui qui compte le plus. Selon une ressource pédagogique de l'Observatoire de Paris - PSL, le décalage d'une onde lumineuse provient de deux phénomènes physiques distincts : l'effet Doppler classique, dû au mouvement propre de la galaxie émettrice, et l'effet Doppler cosmologique, dû à l'expansion de l'univers.

La nuance n'est pas cosmétique. Un objet proche, comme une étoile de notre galaxie ou une galaxie voisine, se déplace physiquement dans l'espace : son décalage spectral raconte un mouvement, au sens classique du terme. Une galaxie très lointaine, elle, ne "s'éloigne" pas à proprement parler dans un sens newtonien : c'est l'espace entre elle et nous qui s'étire, et la lumière s'étire avec lui pendant son trajet. On peut décrire les deux effets avec la même formule Doppler en première approximation, mais l'un décrit un mouvement, l'autre une propriété de l'espace-temps. Ce serait trop simple de résumer ça en disant que "tout s'éloigne de tout", parce que ce n'est pas le mécanisme qui est en cause pour les objets proches.

Andromède (M31) illustre bien le cas cinématique. Sa vitesse radiale par rapport à la Voie lactée, mesurée par effet Doppler et publiée par van der Marel et ses coauteurs, est de -109,3 ± 4,4 km/s : le signe négatif indique un rapprochement, donc un blueshift. Vous croiserez souvent un autre chiffre, autour de -301 km/s, qui circule sans grande précision sur son origine : c'est la vitesse héliocentrique brute, non corrigée du mouvement propre du Soleil autour du centre de la Voie lactée. Les deux valeurs sont vraies, mais elles ne répondent pas à la même question. Seule la première dit ce qui se passe entre les deux galaxies.

Autre chose que je place ici parce que je m'y suis fait avoir en écrivant cet article : je pensais pouvoir citer une valeur seuil du rapport vitesse/vitesse de la lumière (v/c) à partir de laquelle la formule Doppler classique cesse d'être fiable. Je n'ai trouvé aucune source qui donne un chiffre précis et sourcé pour ce seuil. Un manuel universitaire (Physics LibreTexts / OpenStax) illustre le passage au régime relativiste sur un cas concret, une galaxie fictive à 0,825c, mais sans fixer de limite générale. Donc je n'en donne pas non plus : mieux vaut l'absence de chiffre qu'un chiffre inventé.

Le décalage cosmologique n'est pas qu'une curiosité théorique, il sert à mesurer la vitesse d'expansion de l'univers, exprimée par la constante de Hubble (H0). Et sur ce terrain, deux méthodes indépendantes donnent deux résultats qui ne se recoupent pas dans leurs marges d'erreur respectives.

Aucune des deux valeurs n'est "la bonne" contre l'autre, elles mesurent l'expansion à des époques différentes de l'histoire de l'univers, avec des méthodes qui ne partagent presque aucune hypothèse commune. C'est ce qu'on appelle la tension de Hubble, dont les enjeux et le rôle du JWST dans son arbitrage sont détaillés dans un article séparé du blog. Ici, ce qui compte, c'est de comprendre que ces deux chiffres reposent tous les deux, in fine, sur des mesures de décalage spectral, l'un cosmologique à grande échelle, l'autre bâti sur des chandelles standards proches et calibrées.

Pour donner une idée de l'échelle (une échelle différente de celle des magnitudes apparente et absolue, qui elles mesurent l'éclat et pas la vitesse), la galaxie GN-z11 affiche un redshift spectroscopique de z = 10,603, mesuré par l'équipe JADES à partir de plusieurs raies d'émission observées avec le JWST. Un redshift à deux chiffres, ça ne se traduit pas facilement en "vitesse d'éloignement" au sens intuitif du terme : à ce niveau de décalage, on sort largement du régime où la formule Doppler classique garde un sens physique direct, on est dans un territoire où seule la relativité générale et la métrique de l'univers en expansion permettent de faire le lien entre le chiffre et la distance réelle. C'est un exemple concret de pourquoi la distinction cinématique/cosmologique n'est pas un détail pédagogique : au-delà d'un certain redshift, l'idée même de "vitesse de récession" doit être maniée avec des pincettes.

À l'autre bout de l'échelle, l'effet Doppler sert aussi à traquer des mouvements minuscules. Le spectrographe ESPRESSO, installé sur le Very Large Telescope de l'ESO, atteint une précision de vitesse radiale d'environ 10 cm/s sur son détecteur rouge, pour de courtes échelles de temps. Cette sensibilité, annoncée par l'ESO en avril 2020, sert notamment à détecter des exoplanètes par la méthode des vitesses radiales : l'infime va-et-vient d'une étoile tirée par une planète en orbite, décelé par le même principe physique que le blueshift d'Andromède, mais sur de tout autres vitesses : 10 cm/s d'un côté, 109,3 km/s de l'autre.

Paradoxalement, c'est la même équation qui permet de mesurer le mouvement d'une galaxie entière et le battement gravitationnel d'une étoile perturbée par une planète de la taille de la Terre. L'échelle change, l'outil mathématique reste.

Dernier exemple, et pas des moindres : c'est en mesurant par effet Doppler la vitesse d'approche d'Andromède que les astronomes avaient longtemps considéré comme quasi certaine une collision entre notre galaxie et elle, dans plusieurs milliards d'années. Une étude publiée le 2 juin 2025, combinant les données de Hubble et de Gaia sur 22 variables et 100 000 simulations, a révisé cette probabilité à environ 50 % sur les dix prochains milliards d'années. Le mouvement radial mesuré par Doppler ne change pas, c'est l'incertitude sur les mouvements latéraux et les masses des deux galaxies qui rend l'issue moins tranchée qu'on ne le pensait. J'avoue avoir du mal à digérer ce genre de révision : on tient une mesure solide depuis un siècle, et le verdict final dépend encore de variables qu'on peine à contraindre.

Quelle est la différence entre redshift et blueshift ?#

Le redshift est un décalage du spectre vers les grandes longueurs d'onde (le rouge), signe d'un éloignement ou d'une expansion de l'espace. Le blueshift est l'inverse, un décalage vers les courtes longueurs d'onde, signe d'un rapprochement. Andromède, avec sa vitesse radiale de -109,3 ± 4,4 km/s par rapport à la Voie lactée (van der Marel et al., 2012), est un cas de blueshift. À ne pas confondre avec sa vitesse héliocentrique brute, d'environ -301 km/s, qui n'est pas corrigée du mouvement propre du Soleil.

L'effet Doppler cosmologique et l'effet Doppler classique, c'est vraiment différent ?#

Oui. Le classique vient du mouvement réel d'un objet dans l'espace, mesurable comme une vitesse au sens habituel. Le cosmologique vient de l'expansion de l'espace lui-même entre la source et l'observateur, selon la distinction posée par l'Observatoire de Paris - PSL. Les deux produisent un décalage spectral qui ressemble au même phénomène, mais leur origine physique n'est pas la même.

Pourquoi les deux mesures de la constante de Hubble ne s'accordent-elles pas ?#

La mesure du fond diffus cosmologique donne 67,4 ± 0,5 km/s/Mpc (Planck, résultats 2018 publiés en 2020), celle des céphéides et supernovae proches donne 73,04 ± 1,04 km/s/Mpc (SH0ES, 2022). L'écart dépasse les marges d'erreur combinées, ce qui alimente la tension de Hubble, toujours non résolue à ce jour.

La Voie lactée va-t-elle vraiment entrer en collision avec Andromède ?#

C'est moins certain qu'on ne le pensait. Une étude de juin 2025 combinant Hubble et Gaia a ramené la probabilité de collision à environ 50 % sur dix milliards d'années, contre une quasi-certitude admise depuis les mesures de 2012.

Peut-on utiliser l'effet Doppler pour détecter des exoplanètes ?#

Oui, c'est la méthode des vitesses radiales : le spectrographe ESPRESSO atteint une précision d'environ 10 cm/s, suffisante pour détecter le minuscule mouvement qu'une planète imprime à son étoile.

Image : le Hubble eXtreme Deep Field, assemblage de dix ans de poses du télescope spatial Hubble sur une même parcelle de ciel. Les galaxies les plus lointaines qu'on y distingue sont précisément celles dont le décalage vers le rouge se mesure. Crédit : NASA, ESA et l'équipe HUDF09/XDF. Contenu NASA, non soumis au copyright aux États-Unis.

• Observatoire de Paris - PSL, "L'expansion de l'univers"
• van der Marel et al., "The M31 Velocity Vector II", ApJ 753, 8 (2012)
• Bunker et al. (JADES), "JADES NIRSpec Spectroscopy of GN-z11"
• ESO, "ESPRESSO News and Press Releases"
• Planck Collaboration, "Planck 2018 results VI", A&A 641, A6 (2020)
• Riess, Yuan, Macri et al. (SH0ES Team), ApJL 934, L7 (2022)
• Physics LibreTexts / OpenStax, "Doppler Effect for Light"
• ESA/Hubble, "Hubble casts doubt on certainty of galactic collision"