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L'univers des galaxies

La galaxie d'Andromède M31, photographiée par Maurizio Cabibbo et Francesco Di Biase avec une lunette de 130 mm de diamètre. Cette galaxie visible à l'oeil nu à la magnitude 3.4 est connue des astronomes arabes depuis l'an 905. Elle se situe à 2.5 millions d'annés-lumière et est deux fois plus étendue que la Voie Lactée.

La loi de Hubble (II)

Il fallut attendre 1919 et la construction du télescope américain de 2.50 m du mont Wilson pour vérifier l'hypothèse d'Herbert Curtis. L'astronome américain Edwin Hubble commença par photographier M31 en haute résolution. Ses clichés révélèrent bientôt des étoiles individuelles dans les bras de ce qu'il dénommait encore une nébuleuse.

C'est en étudiant la luminosité de ces étoiles qu’à la fin de 1924, Hubble avait découvert 36 étoiles de la famille des Céphéides et 46 "novae". Dans son esprit il était impossible qu'autant d'étoiles variables soient situées dans le même axe de visée sans être prodigieusement éloignées.

En analysant la luminosité des Céphéides qui obéissent à la relation période-luminosité (loi de Leavitt découverte en 1912 par Henrietta Leavitt), Hubble put déterminer leur magnitude absolue. Ces étoiles variables changeant de luminosité de façon très régulière - d'où leur surnom de "chandelles standards", d'étalon de distance -, grâce à cette découverte et se basant sur les travaux de Shapley, Hubble put également déterminer leur distance. Il tenait là l'argument clé de sa plaidoirie. Ancien avocat et boxeur de renom, Hubble savait comment défendre son opinion et convaincre son auditoire.

Hubble conclut bientôt que M31 se situait à des centaines de milliers d'années-lumière, bien au-delà de la Voie Lactée ! Son éloignement expliquait facilement le faible éclat des novae découvertes par Curtis. Eloignée tout d'abord à 550000 années-lumière, puis reportée à plus d’un million d'années-lumière, les analyses spectrales l'ont finalement située à 2.5 millions d’années-lumière[4]. M31 devenait une "nébuleuse extragalactique", terme ambigu qui sera bientôt remplacée par celui de "galaxie". La galaxie d'Andromède était ainsi semblable à la nôtre et ne fut plus considérée depuis ce jour comme une nébuleuse perdue à la périphérie de la Voie Lactée.

A lire : Cepheids in Spiral Nebulae, Edwin Hubble

The Observatory, Vol. 48, 1925, pp139-142 (PDF de 344 KB)

Edwin Hubble

Entre 1923 et 1929 Edwin Hubble démontra que les "nébuleuses spirales" étaient en fait des "univers-îles" semblables à la Voie Lactée. Ces galaxies étaient en réalité des objets bien plus éloignés que les nébuleuses ordinaires et s'échappaient dans l'espace à une vitesse proportionnelle à leur distance, l'effet Doppler ne représentant que leur vitesse relative. Sur l'image du centre, Hubble a marqué les emplacements d'une nova découverte dans M31 en 1923 et de deux étoiles variables, dont la première Céphéide (indiquée VAR !) dans une galaxie extérieure, qui lui permirent de trouver les indices confirmant sa théorie. A droite, Hubble auprès de la Chambre de Schmidt du Mt Palomar en 1949. Nous pouvons lui rendre hommage car la contribution d'Edwin Hubble à l'astronomie fut aussi importante que celle de Copernic ou de Newton. Documents Mount Wilson Observatory et Caltech Archives.

La nouvelle de sa découverte se propagea rapidement dans la communauté des astronomes. Le public en pris connaissance dans un petit insert de 30 lignes dans le New York Times du 23 novembre 1924, trois jours après le 35e anniversaire d’Hubble.

C’est ainsi qu’à la Noël de 1924 la légende attribua ces paroles au jeune Edwin Hubble qui, regardant des clichés d'amas stellaires obtenus au télescope de 2.5 m du mont Wilson aurait dit : "ces faibles nuages nébuleux sont en fait des amas d'étoiles semblables à notre Voie Lactée, des univers-îles". L'expression nous est restée depuis.

Bien que sensationnelle, cette découverte était cependant isolée et la théorie des "univers-îles" nécessitait d’autres observations. Hubble réalisa le même travail en recherchant les "chandelles standards" dans NGC 6822 qu'il décrivit comme un "système stellaire distant, un amas d'étoiles pâles et de nébuleuses d'environ 20'x10' ressemblant aux Nuages de Magellan".

Comme il l'explique dans l'article publié en 1925, il y découvrit 15 étoiles variables dont 11 Céphéides auxquelles il appliqua la relation Période/Luminosité pour calculer le module de distance (m-M) de cet objet. C'est ainsi qu'il découvrit que ce système se situait à 214000 parsecs soit ~700000 années-lumière.

Nous savons aujourd'hui qu'il s'agit en fait d'une petite galaxie irrégulière contenant quelque 10 millions d'étoiles, membre du Groupe Local au même titre que les Nuages de Magellan et située à environ 1.6 million d'années-lumière.

Calculette : Convertisseur de magnitudes

Cosmological Calculator (modèle ΛCDM) - Cosmology calculator (ICRAR)

Le rougissement du spectre des galaxies

Les raies d'absorption que l'on observe à une longueur d’onde λ Bien déterminée dans un spectre d'étoile ou d'une galaxie sont en général décalées proportionnellement à leur vitesse d’un facteur Δ par comparaison avec un spectre témoin d’un élément chimique équivalent obtenu en laboratoire; ce phénomène est dénommé le décalage Doppler et représente la variation de la vitesse d'un objet par rapport à l'observateur.

Comme le son d'une ambulance se décale vers les fréquences plus graves quand elle s'éloigne, la lumière d'une galaxie devient plus rouge à mesure qu'elle s'éloigne relativement à la Terre. Ce phénomène est proportionnel à la vitesse de récession de la galaxie. Sa mesure permet de calculer la vitesse apparente de l'objet et d'estimer sa distance.

L'effet Doppler sur la lumière. Consulter le texte pour les explications. Document Steve Roy/Science@NASA.

Ce décalage z s'exprime par la formule bien connue de Doppler-Fizeau :

Ainsi, si une galaxie s’éloigne de nous, z sera positif, les raies spectrales se décalant vers la partie rouge du spectre. On appelle ce phénomène Doppler le “décalage vers le rouge” ou redshift. Selon le modèle cosmologique Standard, la vitesse de récession des galaxies est en fait relative et traduit l'expansion de l'Univers : les galaxies semblent nous fuir parce qu'elles sont entraînées par le mouvement d'expansion de l'Univers. C'est la notion de repère comobile.

Le décalage Doppler observé dans le spectre d'absorption

de quelques galaxies distantes

Rappelons que lorsque la vitesse du corps devient significative vis-à-vis de la vitesse de la lumière, c, cette formule doit être modifiée comme suit :

En relativité restreinte, z peut donc avoir une valeur supérieure à 1 assez rapidement. De nos jours plusieurs galaxies ou quasars présentent un redshift z > 11. Sans la théorie d'Einstein nous ne pourrions comprendre comment un objet peut apparemment se déplacer plus rapidement que la vitesse de la lumière.

Après avoir photographié, analysé et mesuré les spectres de 46 galaxies, en 1929 Hubble découvrit "un corrélation linéaire entre les distances et les vitesses [des galaxies], K représentant la vitesse par unité de distance due à cet effet". Par la suite K sera baptisée improprement la “constante de Hubble” symbolisée par H, et il l'estima valoir +500 km/s/Mpc. Cette fameuse loi s’écrivait :

r H = v

En théorie, H n'est pas une constante mais correspond au "paramètre de Hubble". La constante de Hubble notée Ho désigne la valeur de ce paramètre à l'époque actuelle.

Suite à cette découverte, Hubble[5] publia un article dans les "Proceedings of the National Academy of Sciences" dans lequel figure également un graphique qui, pour la première fois, apportait la preuve de l’expansion de l’univers.

Notons que Hubble ne cite ni Vesto Slipher dont il emprunta les données ni Alexandre Friedmann et encore moins George Lemaître qui pourtant avaient découvert avant lui l'expansion de l'Univers. En effet, rappelons qu'en 1927 George Lemaître avait déjà trouvé le même résultat avec la même valeur de la constante puisque les deux auteurs avaient utilisé les mêmes données de Slipher.

A lire : L'article original d'Edwin Hubble de 1929

"A Relation between Distance and Radial Velocity among Extra-Galactic Nebulae"

La loi de Hubble

E.Hubble : “Vitesses radiales, corrigées pour le mouvement solaire tracées en fonction de la distance estimée à partir des étoiles concernées et des luminosités moyennes des galaxies dans un amas. Les points noirs et la ligne droite continue représentent la solution tenant compte du mouvement solaire et des galaxies individuelles; les cercles et la ligne pointillée représentent la solution combinant les galaxies en groupes”. Renversement de l’Histoire, le télescope spatial qui, aujourd’hui, rend hommage à Hubble indiquait que la constante de Hubble était d'environ 65 km/s/Mpc (J.Huchra), une valeur relativement basse. Elle fut rééavluée en 2015 à 67.8 km/s/Mpc, valeur sur laquelle nous nous attarderons pour ses implications en cosmologie. Document extrait des Proceedings of the National Academy of Sciences of the U.S.A.

Mais Hubble resta prudent et demanda d’autres mesures, en particulier la détermination précise de la vitesse de déplacement du système solaire et du rayon de courbure de l’Univers. "Pour cette raison écrit-il, il est prématuré de discuter en détails des conséquences évidentes des résultats présents [...] Cette relation linéaire est une première approximation représentant une échelle réduite de distance".

Fort de ses mesures et finalement convaincu par sa découverte, en 1935 Hubble démontra que les mesures de vitesse de Van Maanen étaient inexactes. Il était impossible de déterminer la vitesse angulaire d'une galaxie à de si grandes distances.

La loi de Hubble fut reconnue immédiatement par la communauté scientifique. Cela n’avait rien de surprenant. Tous les astronomes étaient prêts à considérer depuis des années qu’il devait exister une relation entre la vitesse et la distance des galaxies.

Cette découverte marqua un tournant majeur de l'astronomie et de notre vision de l'univers. Tout d'un coup l'Univers changea de dimensions; il devenait 10 fois plus vaste et serait bientôt hors de portée des télescopes. La Voie Lactée devenait une petite galaxie perdue parmi les autres, sans privilège si ce n'est d'avoir la satisfaction de porter l'Humanité. Tout était devenu bien relatif depuis Einstein.

Par reconnaissance, Hubble fut invité à présenter des conférences dans les universités américaines et britanniques. Il recevra honneurs et médailles et devint doctor honoris causa de plusieurs universités.

Par la suite, Hubble réalisa les mêmes calculs pour des centaines d'autres galaxies, aidé par son assistant Milton Humason et son collègue Allan Sandage qui avait l'avantage de pouvoir accéder au nouveau télescope Hale de 5.1 m du mont Palomar qui venait de voir sa première lumière le 26 janvier 1949 (cf. ce compte rendu de "Popular Science" de 1934 et le blog Palomar skies qui relate l'histoire de sa construction).

Evolution de la valeur assignée à la constante de Hubble en fonction des époques et des méthodes d'observations. Document J.You/Science adapté par l'auteur.

Trois générations se sont écoulées depuis les travaux d’Edwin Hubble. Dans une interview accordée à Kip Thorne pour célébrer le centenaire de sa naissance, Allan Sandage[6] considérait qu' "il n’est pas question de douter qu’il fut le plus grand astronome depuis Copernic. Les trois énormes et importantes choses qu’il réalisa furent : il découvrit les galaxies, il montra qu’elles étaient caractéristiques de la structure à grande échelle de l’univers et enfin il découvrit l’expansion. N’importe laquelle de ces découvertes est monumentale et devrait asseoir sa place dans l’histoire."

Le paramètre de Hubble et l'âge de l'Univers

Au fil du temps, les astronomes ont découvert que le paramètre de Hubble H présentait un autre avantage, celui de pouvoir déterminer l’âge de l’Univers. En effet, l’intervalle de temps 1/H appelé le temps de Hubble est indépendant de la distance et représente l'âge de l'Univers. Autrement dit, il y eut une époque 1/H dans le passé où tous les objets étaient en contact, c'est le Big Bang. On peut donc en déduire que lorsque l'Univers était très jeune, H était très grand et qu'en fonction du facteur d'échelle R lié à l'expansion de l'Univers, H a diminué jusqu'à sa valeur actuelle Ho.

Relation entre le temps écoulé depuis le Big Bang et le décalage Doppler (redshift) qui jusqu'à preuve du contraire traduit l'éloignement des objets. Document T.Lombry. 

C’est la raison pour laquelle, depuis la découverte de Hubble, la valeur actuelle du paramètrre de Hubble, ce qu'on appelle la constante de Hubble, Ho n’a cessé d’osciller entre 50 et 100 km/s/Mpc. 

Rappelons qu'une valeur de 50 km/s/Mpc signifie qu'une galaxie située à 1 Mpc soit 3.26 millions d'années-lumière s'éloigne de nous à la vitesse comobile de 50 km/s. On parle de vitesse comobile plutôt que de vitesse réelle ou de mouvemenrt propre car cet objet s'éloigne non pas suite à un effet gravitationnel local qui pourrait l'attirer mais en raison de l'expansion de l'univers. Il s'agit donc d'une vitesse de "récession" apparente.

Avec Ho=100 cela signifie dans le modèle Einstein-de Sitter (dit modèle FRW, le plus simple, dans lequel l'Univers est plat) que l’Univers n'aurait pas plus de 10 milliards d’années et les galaxies seraient d'autant plus rapprochées.

Vers 1930, cette valeur haute gardait un sens car elle correspondait, ainsi que l’avait remarqué Eddington qui aimait jouer avec les nombres, à l’âge des éléments radioactifs. Mais les découvertes se succédant, il est aujourd’hui difficile d’imaginer que l’Univers soit si jeune car il existe certaines étoiles dans notre Galaxie âgées d’au moins 12 milliards d’années ainsi que des galaxies et des quasars lointains âgées de plus de 13 milliards d'années-lumière...

En prenant une constante de Hubble proche de 50 et une valeur adéquate de densité de matière, l’Univers pourrait avoir 20 milliards d’années. Mais Gérard de Vaucouleurs et les partisans d’une valeur haute s’insurgèrent, rappelant que les nouvelles échelles de distances ne s’accordaient pas avec une si faible valeur de Ho, pas plus que l’évolution stellaire. Deux générations plus tard, les mesures du Télescope Spatial Hubble leur donneront raison.

Rappelons qu'en 1989, Christian Vanderriest de l'Observatoire de Meudon et ses collègues (cf. Astron. & Astroph., 215, p11, 1989) avaient fixé une limite supérieure, Ho < 175 km/s/Mpc et plus proche de Ho ≈ 105 km/s/Mpc, voisine de la valeur obtenue par E.Falco en 1987.

En 1994, deux équipes indépendantes, l’une équipée d’une caméra à haute résolution montée sur le télescope CFH de Mauna Kea, la seconde utilisant la puissance du Télescope Spatiale Hubble[7] ont établi que la constante de Hubble semblait osciller entre 80 et 87 km/s/Mpc. Par la suite, sa valeur fut réduite à 65 km/s/Mpc (J.Huchra).

Suite à la mission Planck, en 2015 on détermina que la constante de Hubble Ho = 67.74 ±0.46 km/s/Mpc. L'Univers serait âgé de 13.799 ±0.021 milliards d'années. Or certains associations d'étoiles seraient âgées de près de 15 milliards d'années... Reste donc à soit refaire les calculs en trouvant d'autres "chandelles standards" soit de modifier la valeur de la densité de matière pour retrouver un âge de l’Univers compatible à la fois avec l’âge des étoiles et la nucléosynthèse primordiale. De grosses difficultés planent donc sur le modèle cosmologique Standard que nous prendrons le temps d'étudier à la lumière des récents développements en astrophysique et en cosmologie.

A consulter : Comment calculer des distances extrêmes ?

(activer la traduction)

Relation entre le paramètre de densité de masse Oméga (rapport entre la densité moyenne de l'Univers actuel et la densité critique), l'âge de l'Univers et la constante de Hubble. A gauche, le profil dans un modèle cosmologique standard FRW, à droite dans le modèle inflationnaire avec une constante cosmologique positive (la plus conforme aux observations). Ces trois paramètres sont les principales caractéristiques de tout modèle cosmologique homogène et isotrope (avec ou sans inflation). Rappelons que la mission Planck a permis d'évaluer la constante de Hubble à 67.8 km/s/Mpc et la densité baryonique moyenne à 0.416, portant l'âge de l'Univers dans le modèle inflationnaire à environ 13.8 milliards d'années. On remarque que dans le modèle d'univers classique FRW, pour les mêmes paramètres l'âge à l'Univers ne dépasserait pas 12 milliards d'années. Depuis, la valeur de la constante de Hubble a été revue à la hausse, ce qui n'est pas sans conséquences (voir le texte pour les explications). Document A.Guth adapté par l'auteur.

Dans un article publié en 2016 consacré à la constante de Hubble, l'astrophysicien Adam Riess du STScI et ses collègues ont obtenu une nouvelle estimation : Ho = 73.23 ±1.51 km/s/Mpc soit supérieure à celle prédite par le modèle ΛCDM (66.93 ±0.62 km/s/Mpc). Mais cette valeur plus élevée implique aussi que l'univers s'étend plus rapidement que le prévoit le modèle ΛCDM.

En 2017 (données de 2014), l'analyse des lentilles gravitationnelles dont HE0435-1223 a permis à l'équipe H0LiCOW de reéestimer Ho = 71.9 ±2.7 km/s/Mpc, également compatible avec un modèle d'univers ΛCDM plat en accélération.

Précisons également que sur base de ce modèle ΛCDM, les cosmologistes nous disent que la sphère de l'univers observable (celui du modèle Standard) atteint un rayon de 43 milliards d'années-lumière dont les télescopes actuels ont peine à accéder au tiers de la distance, tandis que dans le modèle inflationnaire la sphère observable aurait enflée d'un facteur 101012 suite à l'inflation. Quant à la dimension de l'Univers réel, autant dire qu'elle n'est pas loin de l'infini.

Prochain chapitre

La classification des galaxies

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[4] En 1924, Hubble avait utilisé un certain type de Céphéides. Mais en 1942, Walter Baade subdivisa les Céphéides en deux catégories. Les mesures de distances avaient été sous-estimées. En outre Hubble avait confondu des nébuleuses brillantes présentes dans la Galaxie avec des étoiles brillantes qu’il utilisait comme “chandelles standards”. Du coup, l’échelle des distances s’agrandit, portant d'abord M31 à 2.2 millions d'années-lumière puis finalement à 2.5 millions d'années-lumière.

[5] E.Hubble, Proceedings of the National Academy of Sciences (USA), 15, 1929, p168.

[6] A.Sharov/I.Novikov, “Edwin Hubble, the discoverer of the Big Bang universe”, op.cit., préface de l’édition anglaise. Lire également Fred Bortz, "The Big Bang Theory: Edwin Hubble and the Origins of the Universe", Rosen Classroom, 2014 (Amazon.com).

[7] Cf. les quatre articles publiés in Nature, 371 (1994); C.Hogan, p374; M.Pierce et al., p385; G.Jacoby, p741; W.Freedman et al., p757.


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