L'effet Doppler : de la mesure de vitesse à la détection des planètes

I. Un peu d'histoire des sciences

Christian Doppler (1803-1853) est un mathématicien et physicien autrichien. Il s’est rendu célèbre par une découverte qui porte maintenant son nom : l’effet Doppler. Sa publication la plus célèbre s’appelle « Sur la lumière colorée des étoiles doubles et d’autres étoiles du ciel ». Un peu plus tard et indépendamment, Hippolyte Fizeau découvre lui aussi ce phénomène et il l’étend aux ondes lumineuses. Ce phénomène s’applique à tous les types d’onde (sonores, ultrasonores et mécaniques à la surface de l’eau par exemple). Pour les ondes lumineuses, on emploiera le terme d’effet Doppler-Fizeau. Christian Doppler Hippolyte Fizeau.
L’effet Doppler est le décalage de fréquence d’une onde (généralement acoustique ou électromagnétique) entre la mesure à l’émission et la mesure à la réception lorsque la distance entre l’émetteur et le récepteur varie au cours du temps. On l’observe tous les jours sans s’en rendre compte. Par exemple, le son d’une voiture est plus aigu quand celle-ci se rapproche de nous et plus grave quand elle s’éloigne de nous.

La description du phénomène sur le site de Wikipédia est parlante : Une personne est debout dans l’eau, au bord du rivage. Des vagues lui arrivent sur les pieds toutes les dix secondes. La personne marche, puis court en direction du large : elle va à la rencontre des vagues, celles-ci l’atteignent avec une fréquence plus élevée (par exemple toutes les huit secondes, puis toutes les cinq secondes). La personne fait alors demi- tour et marche puis court en direction de la plage ; les vagues l’atteignent avec une fréquence moins élevée, par exemple toutes les douze, puis quinze secondes.

Source et observateur immobiles

Ici, on ne constate pas l’effet Doppler, puisque la source et le récepteur sont immobiles. L’onde sonore a une célérité c, une longueur d’onde λ, une période T et une fréquence f.