Présentation de l'effet CREIL (à la place de l'expansion)

Présentation de l'effet CREIL (remplaçant de l'effet d'expansion).

par Jean Moret-Bailly Février 2007

On rappelle d'abord comment on a interprété le rougissement des astres lointains par l'effet Doppler-Fizeau auquel on a ajouté l'effet d'expansion de l'espace. Il est préférable de remplacer l'effet d'expansion par l'effet CREIL qui fait intervenir la matière transparente se trouvant dans l'espace galactique et intergalactique. L'effet CREIL explique la loi de Hubble, l'existence d'un rayonnement thermique de fond non fossile, les rougissements intrinsèques des quasars et de certaines galaxies, les anomalies des sondes Pioneer, etc... Il jette un doute sur la théorie du big-bang.

L’effet CREIL dérive de l’effet ISRS dont il a la même théorie (aux fréquences près) et qui est connu comme parasite des fibres optiques.

Ce texte découle des travaux de Jacques Moret-Bailly que l'on peut consulter sur le site jean.moretbailly.free.fr de son frère.

On observe les astres depuis toujours, mais il faut attendre le début du 20éme siècle pour que les télescopes se perfectionnent suffisamment et qu'on puisse observer des galaxies (amas de nombreuses étoiles) situées hors de la nôtre (la Voie Lactée).

Vers 1930, on connaît quelques dizaines de galaxies les plus proches de nous. Leurs spectres contiennent les raies caractéristiques des spectres des étoiles proches, mais elles apparaissent avec des couleurs différentes : les raies sont décalées en fréquence et en bloc, soit vers l'extrémité rouge, soit vers l'extrémité bleu du spectre. Cinq galaxies ont leurs couleurs bleuies, et les autres sont rougies. Avec la découverte des galaxies plus lointaines, il n'y aura plus que des galaxies rougies. Le rougissement z se mesure par le décalage relatif de fréquence. Chaque astre a son rougissement propre z observé.

En 1929, Edwin Hubble a calculé la distance de plusieurs galaxies proches et a observé que le rougissement z est, en gros, proportionnel à la distance. Cette loi approximative va s'appliquer assez bien aux galaxies que l'on découvre progressivement, mais avec des rougissements z de plus en plus importants. Les rougissements vont même devenir si importants, que les raies décalées balaient le spectre visible et en sortent vers l'infrarouge et les fréquences plus basses. Le phénomène englobe une grande partie du spectre des ondes électromagnétiques dont la lumière visible fait partie. Les progrès de l'observation permettent actuellement l'étude des lumières invisibles par l'œil. Un décalage d'une raie caractéristique vers une fréquence plus basse est un rougissement. On utilise le terme « rougissement » dans tous les domaines électromagnétiques pour indiquer les abaissements de fréquence, bien que dans l'infrarouge ou en radio, le « rougissement » corresponde à un éloignement des fréquences du rouge. À l'inverse, un décalage vers une fréquence plus élevée est un bleuissement.

Comment expliquer le phénomène de changement de couleur ? Pour les premières galaxies trouvées, on a utilisé l'effet Doppler-Fizeau, capable d'expliquer les bleuissements et les rougissements.

Si les galaxies sont en mouvement par rapport à la nôtre l'effet Doppler-Fizeau explique les rougissements et les bleuissements qui sont proportionnels à la vitesse d'éloignement. Quand la galaxie se rapproche, il y a bleuissement et rougissement quand elle s'éloigne. Plus la vitesse d'éloignement est élevée, et plus le rougissement est fort.

L'effet Doppler-Fizeau agit sur toutes les étoiles des galaxies. Certaines galaxies tournent sur elles-mêmes et leurs étoiles ont des vitesses différentes. Il en résulte que les raies observées des différentes étoiles ne sont pas décalées de la même façon dans le spectre, suivant la partie de la galaxie dont elles proviennent. Les raies observées mélangées (provenant d'étoiles différentes ayant chacune leur propre vitesse) apparaissent élargies, ce qui montre bien que l'effet Doppler-Fizeau se manifeste. La vitesse associée au décalage moyen global s'interprète comme la vitesse moyenne de la galaxie par rapport à nous.

L'effet Doppler-Fizeau conduit à ce que le rougissement soit proportionnel à la vitesse d'éloignement. Cette loi, couplée avec la loi de rougissement proportionnel à la distance observée par Hubble, conduit à ce que la vitesse d'éloignement, la distance et le rougissement soient proportionnels. Le temps de parcours de la lumière qui nous parvient l'est aussi puisque la vitesse de la lumière est constante (l'indice de réfraction de l'espace intergalactique reste très voisin de celui du vide). On a donc proportionnalité du temps, de la distance, du rougissement et de la vitesse. Ces quatre grandeurs ont des unités qui sont souvent utilisées pour caractériser une autre grandeur. Par exemple, on utilise l'année (lumière) pour exprimer la disatnce. De même, on utilise le rougissement pour caractériser la distance et la vitesse.

L'effet Doppler-Fizeau semble une bonne explication, mais il ne s'applique pas aux galaxies lointaines, car le rougissement est si grand que les vitesses qu'il entraîne par application de la loi Doppler-Fizeau se rapprochent de la vitesse de la lumière. Physiquement, de telles vitesses pour des objets matériels comme les galaxies ne sont pas possibles. L'effet Doppler-Fizeau existe, au moins pour les mouvements locaux, mais un autre effet prépondérant doit s'ajouter pour expliquer le rougissement des galaxies lointaines.

On a beaucoup cherché l'explication de ce rougissement prépondérant, et on cherche encore, l'accord de tous n'étant pas réalisé. On a trouvé que la gravitation pouvait donner un rougissement, mais cet effet est marginal. Il ajoute seulement un rougissement généralement négligeable. Il faut ajouter autre chose. Vers le milieu du 20éme siècle, un consensus s'est fait progressivement autour de la théorie de l'expansion de l'espace, dont les lois conduisent à un rougissement analogue à celui de l'effet Doppler-Fizeau, mais on introduit des vitesses de récession au lieu des vitesses réelles. La vitesse de récession est liée à l'espace qui se dilate et entraîne les astres. Pour les galaxies proches, l'effet d'expansion est négligeable, et il ne reste que l'effet Doppler-Fizeau, mais il serait important pour les galaxies lointaines. Cette expansion est un des piliers sur lequel la théorie du big-bang repose. La théorie de l'expansion s'est imposée, faute de concurrents crédibles jusqu'au début du 21éme siècle, malgré un certain nombre d'anomalies relevées ici et là.

Pour expliquer les anomalies, d'autres explications que l'expansion ont été cherchées, mais pratiquement aucune n'a obtenu l'aval unanime de la communauté scientifique.

Quelles autres explications propose-t-on au rougissement des galaxies ? Elles foisonnent, mais la plupart sont certainement fausses et sont à rejeter. En effet, les images observées des galaxies sont nettes, même pour les galaxies les plus lointaines, donc la lumière qui nous en parvient des galaxies lointaines, ne peut que traverser le vide ou un milieu transparent peu absorbant qui diffuse peu. Comment la lumière peut-elle nous parvenir aussi bien en étant rougie ? Par la matière traversée ? On peut éliminer pratiquement tout ce qui a été proposé pour expliquer. Par exemple, l'effet Compton disperse la lumière et ne permet pas d'observer correctement les images qui sont brouillées. Les autres effets quantiques sont aussi à éliminer car ils brouillent aussi les images. Le seul effet bien connu qui permet de voir les images à travers la matière transparente est la réfraction, mais sans rougissement. La réfraction ralentit la lumière et peut dévier les rayons quand ils traversent des dioptres (surfaces de variation de l'indice), mais garde les images. Ainsi, il est possible d'observer les étoiles, à travers l'atmosphère terrestre qui réfracte. Les images ne sont pas détruites, même si elles se déplacent un peu avec les turbulences de l'atmosphère. De la matière est traversée par la lumière, et la matière n'est pas modifiée, bien qu'elle dévie les rayons. Si ont veut faire intervenir la matière intergalactique, on doit trouver un effet qui rougit sans brouiller les images.

Une hypothèse avancée a été la lumière fatiguée. En parcourant les grands espaces qui la mènent à nous, et avec les milliards d'années de parcours, la lumière se dégraderait. Plusieurs causes de dégradation ont été proposées, mais elles ne sont pas convaincantes. Souvent, il faut modifier une ou plusieurs constantes et/ou lois bien établies de la physique. Par cette méthode, en modifiant les paramètres, on obtient ce qu'on cherche : ici le rougissement, mais on détruit la physique. À la décharge de ceux qui ont cherché dans cette voie, ils avaient de bonnes raisons de se méfier de l'expansion.

Personne n'est parvenu à déloger l'expansion jusqu'à la fin du 20éme siècle, malgré ses défauts. C'était l'explication la plus crédible au rougissement.

Les lasers se sont répandus dans la deuxième partie du 20ème siècle. Les lasers à impulsions ultracourtes ont alors révélé l'effet ISRS qui se produit uniquement quand les impulsions sont suffisamment courtes : Si on envoie simultanément deux faisceaux lasers qui se croisent dans une matière transparente, on observe un rougissement du faisceau le plus bleu, et un bleuissement du faisceau le plus rouge. Les faisceaux ne sont pas déviés (sauf par réfraction). Comme en réfraction, la matière n'est pas modifiée. Elle se comporte comme un catalyseur. L'expérience est facile en laboratoire. La théorie du phénomène relève de l"optique classique et ne prête pas à contestation. Elle fait intervenir les résonances Raman de la matière. Un étudiant moyen en physique est capable de la comprendre, le niveau mathématique nécessaire n'étant pas très élevé, et seules les lois ordinaires de la physique étant utilisées. Rougissant les impulsions laser au bénéfice du rayonnement thermique, l'effet ISRS complique l'utilisation des fibres optiques en télécommunications.

Pratiquement toutes les matières sont actives pour donner l'effet ISRS, car les résonances Raman de la matière qui nous environne conviennent aux impulsions très courtes utilisées. Il faut bien entendu avoir au moins deux faisceaux qui se croisent dans la matière. On l'observe sur des distances courtes en laboratoire.

Jacques Moret-Bailly a eu l’idée d'étudier une utilisation de l'effet ISRS (rebaptisé CREIL) à d'autres fréquences des ondes électromagnétiques. La théorie reste la même, mais on prend des sources de lumière ordinaire au lieu des lasers. Les émissions ultracourtes des sources lasers ne sont pas courantes. Par contre, les molécules de toutes les sources lumineuses ordinaires émettent en impulsions de la même façon que les lasers à impulsions. La différence est que les émissions des molécules sont des impulsions plus de 10000 fois plus longues que celles des lasers utilisés en ISRS de sorte que, pour trouver les résonances Raman adaptées, il faut chercher des niveaux énergétiques très rapprochés des molécules. Ces niveaux sont rarement bien peuplés. Cependant un gaz actif connu a les bonnes résonances : l'hydrogène atomique excité en état quantique 2S ou 2P. Ce gaz est assez stable à très basse pression. Il est généré et régénéré par des rayons ultraviolets irradiant de l'hydrogène. D'autres molécules de gaz raréfiés doivent convenir, mais leurs propriétés Raman sont mal connues. Les calculs montrent que l'effet est analogue à l'effet ISRS à condition d’utiliser pour le parcours lumineux une colonne de gaz actif de l'ordre d'un milliard de kilomètres, donc d'une longueur astronomique. Nous avons là un effet qui n'a d'application possible qu'en astronomie. L'effet étant cumulatif, avec moins de gaz actif, on obtient toujours l'effet, à condition d'allonger encore le parcours. Avec un gaz actif à l'état de traces, l'effet persiste.

En astronomie, un premier faisceau de lumière peut venir d'une source quelconque (comme une galaxie). Il sera rougi. On l'observe depuis la Terre.

D'autres faisceaux de lumière doivent croiser le premier faisceau dans la matière active pour provoquer l'effet de rougissement CREIL sur le premier faisceau. Ils sont faciles à trouver : le rayonnement thermique à 2,7K qui existe partout (il est en général prépondérant). Il sera bleui (ou en l'exprimant autrement : réchauffé). D'autres rayonnements peuvent convenir, mais sont généralement moins abondants.

L'effet CREIL (comme l'effet ISRS) est analogue à la réfraction : théories voisines et effets comparables. L'effet de réfraction dévie les faisceaux sans changer les fréquences ; l'effet CREIL change les fréquences sans changer la direction des faisceaux. Les deux effets, dits « cohérents », ne détruisent pas les images, ce qui est très important à remarquer, car tout ce qu'on peut proposer comme effet non cohérent de rougissement dans la matière conduit à détruire les images, donc est contraire à l'observation.

L'effet CREIL est un effet de rougissement possible en astronomie. Il suffit que des traces de gaz actifs CREIL existent sur le parcours de la lumière qui nous parvient. Ces gaz actifs peuvent être de l'hydrogène excité (par exemple excité par des rayons ultraviolets à partir d'hydrogène atomique) ou des molécules ayant les bonnes résonances Raman. S'il y a des traces de gaz réparties assez uniformément entre les galaxies, la loi de Hubble s'explique fort bien. La lumière se fatiguerait par effet CREIL. Les écarts à la loi de Hubble proviennent d'une répartition non uniforme des gaz actifs. Si des gaz actifs se trouvent concentrés dans certaines zones, un rougissement important peut affecter les rayons qui traversent. D'où des écarts à la loi de Hubble.

Par effet CREIL, une lumière de haute fréquence est rougie en traversant des régions où dominent les basses fréquences, mais si elle traverse des régions contenant des rayonnements de plus haute fréquence, elle peut être bleuie sur une partie de sa trajectoire. Elle est globalement rougie ou bleuie à l'arrivée, suivant les régions traversées.

L'effet CREIL ne se contente pas de rougir la lumière des étoiles. Il agit sur toutes les fréquences du spectre électromagnétique, et en particulier dans le domaine thermique. Les rayonnements thermiques se croisent dans la matière active en CREIL, et le spectre thermique s'en trouve modifié. Rougissements et bleuissements se mêlent. Les échanges d'énergie suivent le second principe de la thermodynamique. L'entropie croit et les fréquences convergent vers un équilibre qui est celui du corps noir. On pensait que le rayonnement thermique à 2,7K que l'on observe était fossile, issu du fond de l'univers, puisqu'on voit jusque au fond de bonnes images. C'était oublier les interactions entre les rayonnements thermiques de l'effet CREIL qui fait tendre vers l'isotropie et une homogénéité des rayonnements. On constate l'isotropie à 1/100000 près. L'équilibre étant dynamique, il reste quelques anisotropies d'origine surtout locale (proximité d'une étoile ou d'une galaxie). Quand on pointe vers une étoile, on trouve ponctuellement une température très différente de 2,7K. Une composante liée à l'écliptique (donc au Soleil) est détectable. Le rayonnement à 2,7K observé est qualifié à tort de fossile. C'est un rayonnement thermique (très lentement) évolutif qu'il faut remplacer par la température réelle locale rencontrée par les rayons pour la thermalisation réelle.

Les quasars sont des astres très lumineux qui restent encore un peu mystérieux. Il en existe plusieurs types. Ils contiennent probablement des trous noirs ou des étoiles à neutrons. L'astronome Halton Arp en a observé qui sont parfois à côté d'une galaxie, souvent alignés, avec même des ponts de matières qui peuvent les relier. Les rougissements de ces quasars étant plus grands que celui de la galaxie, la théorie de l'expansion les place très loin en arrière de la galaxie, donc sans interaction avec elle. Le nombre de ces cas étant élevé, ce n'est pas en faveur de l'explication du rougissement par l'expansion. Cela a influencé la recherche d'une autre cause au rougissement. On a donc recherché des rougissements intrinsèques (propres aux astres, et non liés à leur distance).

Jacques Moret-Bailly, spécialiste d'optique moléculaire, s'est attaqué au problème. En modélisant un astre très chaud (de température de surface T > 1 000 000 K) entouré de gaz contenant de l'hydrogène, il obtient un spectre calculé ayant toutes les caractéristiques du spectre observé des quasars, avec leurs variantes et leurs détails. L'hydrogène étant fortement excité par les ultraviolets émis par le quasar, un rougissement important se produit à proximité du quasar par effet CREIL. La discrimination entre le spectre d'expansion et le spectre CREIL est possible car, comme la réfraction, l'effet CREIL varie un peu (dispersion) en fonction de la longueur d'onde. Le spectre calculé avec la théorie de l'expansion est différent du spectre observé dans les détails. Le spectre observé des quasars étant très complexe, on a là un fort argument en faveur de l'effet CREIL qui expliquerait le rougissement intrinsèque des quasars et qui élimine l'expansion pour les quasars. Cerise sur le gâteau : le spectre des quasars a des périodicités (inexpliquées par l'expansion), qui sont la signature (numérique) de l'hydrogène atomique excité. Cela montre à la fois la présence d'hydrogène excité et que l'effet CREIL est la clé du rougissement intrinsèque des quasars.

Des galaxies ont des rougissements qui sont probablement intrinsèques (localisés près de la galaxie). On relève dans leur spectre, des périodicités analogues à celles relevées pour les quasars, mais c'est une signature différente de celle de l'hydrogène excité. Les températures des gaz en cause sont plus basses qu'avec les quasars et les régions en cause plus étendues. Une autre molécule est sans doute active CREIL à l'intérieur et/ou dans l'environnement de la galaxie. Ces galaxies ont souvent un quasar à proximité, émetteur d'ultraviolets générateurs de molécules excitées participant à l'effet CREIL, cause de renforcement du rougissement intrinsèque.

En faveur de l'expansion, il y a la théorie du big-bang et l'étude des supernovas. Le big-bang, bien que populaire, est une théorie fragile, ayant déjà demandé beaucoup de modifications pour se rapprocher de la réalité. Sans l'expansion et sans le rayonnement fossile, elle est moins étayée. Une première étude des supernovas 1A a conduit à conforter l'expansion. Cette étude, limitée à un petit nombre de supernovas sélectionnées de façon douteuse, est de plus en plus contestée. Les nouvelles études ne cadrent pas avec ce qui était avancé.

Contrairement à l'effet CREIL, l'expansion n'a pas un bon support physique. L'expansion s'appuie sur le big-bang qui s'appuie sur elle. Elle n'est qu'une théorie ayant eu son temps de gloire.

Le vent solaire est formé de protons et d'électrons qui se recombinent (entre 5 et 15 fois la distance Terre Soleil) en hydrogène atomique dont une partie est excitée au niveau métastable 2S. Les sondes Pioneer qui ont traversé cette zone ont subi un léger bleuissement de leurs fréquences radio. Cet apport d'énergie aux ondes radio s'explique par l'effet CREIL. Les rayons solaires qui traversent les ondes radio sont rougis et fournissent l'énergie aux ondes radio. Par cette interprétation, le mouvement des sondes respecte les lois de la mécanique céleste.

Il est difficile de défendre l'expansion sur la seule base des rougissements des astres quand on a compris que l'effet CREIL est soutenu par de la bonne physique commune à tout l'univers. L'expansion est introduite dans beaucoup de cosmologies, mais elle n'a pas de bases physiques sûres. Elle n'est pas prouvée. Ce n'est qu'une hypothèse de travail. L'effet CREIL a des bases plus solides et explique bien les rougissements. Son seul défaut est de n'être connu qu'après plus d'un demi siècle où l'expansion a été acceptée sans partage.