Le Livre d'Argent

Chaque semaine nous amène son lot de nouveautés, et parmi elles, tous les #VendrediVulga, un nouveau #Vulgadredi. J'avais la semaine dernière annoncé que soit on partirait vers l'infiniment petit, soit on parlerait d'abord de l'expansion de l'univers, et on va choisir cette seconde option, pour les habituels seize pouets. Que l'on conclura d'ailleurs en parlant un peu de télescopes spatiaux.

En effet, l'un des plus célèbres d'entre eux est nommé en l'honneur de l'astronome américain Edwin Hubble, qui est la personne qui a mis cette expansion en évidence… et certaines des données collectées bien plus tard par le télescope spatial Hubble ont permis de mieux comprendre le phénomène, alors autant en profiter (James Webb, de son côté, n'était pas un astronome, mais l'administrateur de la NASA au début du programme Apollo, ce qui nous concernera moins ici).

2/16 J'avais déjà mentionné Edwin Hubble dans mon thread sur les nébuleuses⁽*⁾, en précisant que c'était lui qui, en 1924, était parvenu à trancher le « Grand Débat » en arrivant à mesurer la distance qui nous sépare des galaxies, et donc à prouver que (contrairement auxdites nébuleuses) elles ne font pas partie de notre Voie Lactée, mais sont des objets beaucoup plus lointains.

C'était évidemment un bon début, mais il n'allait pas en rester là. En mesurant plus précisément la distance qui nous sépare de ces galaxies, et en étudiant la lumière que nous en recevons, il parviendra, en 1929, à mettre en évidence l'existence d'une relation entre les deux, nous indiquant comment évolue l'univers aux très grandes échelles.

(∗) Qui se trouve là si vous ne l'aviez pas lu : https://fadrienn.irlnc.org/notice/AxffZGekWdb41yY0OW

3/16 Vous avez peut-être déjà remarqué que le son d'un objet en mouvement par rapport à vous (le moteur d'une voiture, ou la sirène d'un véhicule prioritaire, par exemple) change en fonction de ce déplacement ? Il paraît plus aigu pendant que l'objet se rapproche, et plus grave lorsque l'objet s'éloigne. C'est ce qu'on nomme l'« effet Doppler-Fizeau », du nom de deux scientifiques l'ayant mis en évidence au milieu du ⅩⅨème siècle.

Il s'agit en fait d'un effet mécanique de la propagation des ondes. Cet effet existe donc également pour la lumière, qui est également une onde, même si la variation est beaucoup trop légère aux vitesses que nous atteignons dans la vie de tous les jours pour que l'on puisse le remarquer. Des instruments adaptés peuvent toutefois mettre en évidence un léger changement de couleur dans la lumière que nous recevons des objets les plus rapides.

Parce que oui, « plus aigu » et « plus grave », concernant la lumière, ça correspond à un changement de couleur. Si vous n'avez pas l'habitude de ce genre de choses, vous pouvez peut-être jeter un œil à ma vidéo sur les couleurs, justement : https://skeptikon.fr/videos/watch/eeace01e-b22b-4306-88c3-d9ff45585b05

4/16 Hubble (l'astronome toujours, pas encore le télescope) va donc réussir à mesurer un tel changement de couleur, d'abord pour la galaxie d'Andromède. Si vous avez lu mon thread de la semaine dernière, vous savez déjà qu'il s'agit d'une de nos plus proches voisines, située à environ deux millions d'années-lumière de nous.

Hubble va donc mesurer que la lumière que nous recevons de cette galaxie est légèrement plus bleutée qu'elle ne le devrait si tout était immobile. Cela correspond à une lumière « plus aigüe » : cette galaxie se rapproche de nous. Ou bien c'est nous qui nous rapprochons d'elle, ce qui techniquement revient environ au même, les points de vues étant assez symétriques. Et puis, plus vraisemblablement, ce sont les deux à la fois.

Et si vous n'aviez pas lu mon thread de la semaine dernière, il est là : https://fadrienn.irlnc.org/notice/B00lUseSbXOY4KtQ8W

5/16 On a, depuis, confirmé qu'Andromède et la Voie Lactée sont, du fait de la gravité, en train de foncer l'une sur l'autre. Elles devraient finir par se retrouver suffisamment proches l'une de l'autre pour commencer à échanger leurs étoiles et leurs nébuleuses, puis fusionner complètement pour ne plus former qu'une seule immense galaxie.

Si ça vous embête de ne pouvoir voir Andromède que telle qu'elle était il y a deux millions d'années, la bonne nouvelle est donc qu'il suffit d'attendre un peu pour que ce décalage se réduise pas mal. La mauvaise nouvelle est qu'il va falloir faire preuve de patience : au rythme actuel, la fusion ne débutera que d'ici quatre milliards d'années (ça reste avant que notre Soleil attaque sa phase de géante rouge, ceci dit, voyez le thread sur les nébuleuses).

Je voulais vous mettre une vue d'artiste de la collision ici, mais je préfère finalement vous renvoyer à la page sur Wikimédia qui permet en passant la souris de dater les différentes étapes : https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Andromeda_and_Milky_Way_collision_sequence.jpg

6/16 Mais Hubble ne s'est pas arrêté à étudier Andromède, et a également tourné ses instruments vers d'autres galaxies plus lointaines. Et c'est là qu'il a remarqué quelque chose d'un peu plus étrange. Si les galaxies les plus proches se rapprochent de nous et que nous voyons donc leur lumière virer au bleu, pour toutes les autres, cette lumière a plutôt tendance à virer au rouge. Et une lumière « plus grave » indique qu'elles s'éloignent.

À l'exception de notre groupe local, toutes les galaxies de l'univers connu s'éloignent de nous. Et les mesures désignent qu'elles s'éloignent d'autant plus vite qu'elles sont déjà lointaines. Aristote postulait que tout tombait vers la Terre parce qu'un point central à l'univers attirait tout le reste ; est-ce qu'à l'inverse, nous serions situés au niveau d'une sorte de répulseur universel ?

Ah, oui, si vous avez manqué cette histoire de point central à l'univers, j'en ai parlé dans le thread d'il y a deux semaines : https://fadrienn.irlnc.org/notice/Azm7oxzbjuzK2vMu8G

7/16 Évidemment, non. Là encore, les points de vue sont symétriques : si de notre point de vue, les galaxies s'éloignent de nous, du leur, c'est nous qui nous éloignons d'elles. C'est l'univers entier qui « gonfle », faisant ainsi progressivement augmenter les distances entre ses points les plus distants.

Cette distance augmente d'autant plus rapidement que les objets sont lointains, faisant que le décalage vers le rouge (« red shift ») va être plus ou moins prononcé selon la distance qui nous sépare des galaxies : c'est ce rapport entre la distance et le décalage que Hubble a mis en évidence en 1929, et qui sera l'une des premières preuves expérimentales de l'expansion. On l'appelle depuis la « loi de Hubble-Lemaître », du nom aussi de Georges Lemaître qui l'avait théorisée quelques années avant l'observation effective.

8/16 Cette idée n'est en fait pas complètement nouvelle : les équations de la relativité générale, publiées en 1915 par le célébrissime Albert Einstein, semblaient déjà indiquer que la taille de l'univers n'était pas figée. Cependant, puisqu'à l'époque, aucune observation ne permettait de corroborer cette idée, Einstein avait décidé en 1917 d'ajouter un paramètre supplémentaire à ses équations afin de stabiliser le tout.

Ce paramètre, appelé « constante cosmologique » et noté Λ, a donc été rendu inutile par la découverte de l'expansion, et Einstein finira par le qualifier de « plus grande bourde de toute sa carrière ». Toutefois, nos connaissances des mécanismes de l'expansion étant encore assez incomplètes, une constante cosmologique plus ou moins semblable fait parfois sa réapparition dans certains travaux.

9/16 Georges Lemaître et quelques autres avaient au contraire misé sur l'idée d'un univers dont la taille évolue avec le temps, et suite aux observations de Hubble, tirèrent les conséquences de cette idée : si l'univers est en expansion, alors il devait être par le passé beaucoup plus petit qu'il ne l'est aujourd'hui.

Que l'univers que nous connaissons soit le résultat de l'expansion d'un objet beaucoup plus petit n'était pas du goût de tout le monde, et, en 1949, au cours d'une émission de radio, l'astronome britannique Fred Hoyle, qui tentait encore de défendre l'idée d'un univers stationnaire, décrira par dérision ce phénomène comme une « grosse explosion », ou « big bang » en anglais. Ce nom marquera les esprits et est encore largement utilisé de nos jours, même s'il est loin d'être la meilleure façon de décrire ce phénomène.

10/16 Précisons tout de même, j'en parlais d'ailleurs la semaine dernière, que nous ne connaissons pas précisément la taille de notre univers. En l'état actuel de nos connaissances, il est possible que celui-ci soit de taille infinie. Auquel cas l'univers au moment du « big bang », tout en étant nettement plus petit qu'il ne l'est actuellement, était alors déjà de taille infinie.

Et puisque c'est l'espace lui-même qui s'est étendu, le « big bang » n'a pas eu lieu à un endroit lointain dont nous nous serions éloignés : il a eu lieu là où nous sommes autant qu'aux confins de l'univers observable, qui ont été à une époque quasiment au même endroit. Certaines choses restent assez délicates à saisir pour nos cerveaux habitués à appréhender des objets d'une échelle très différente.

11/16 On ne va pas ici davantage rentrer dans les détails concernant ce « big bang », ce qui me demanderait sans doute de pas mal réviser, mais on va évidemment tout de même mentionner le rayonnement intense émis au moment où l'expansion a rendu l'univers transparent (avant l'émission de ce rayonnement, l'univers était si dense que la lumière était sans cesse réabsorbée par la matière environnante, donnant des conditions très différentes).

Ce rayonnement très particulier a été émis dans toutes les directions de façon relativement homogène. Les scientifiques travaillant sur le modèle théorique avaient prévu vers 1948 que l'on devrait pouvoir détecter les photons émis à ce moment, ayant avec le temps considérablement perdu leur énergie et refroidi jusqu'à une température d'un peu moins de 3 kelvins, soit très proche du zéro absolu.

12/16 Près de vingt ans après cette prédiction, en 1964, Arno Penzias et Robert Wilson détectèrent dans leur radiotélescope une sorte de bruit de fond constant, venant de toutes les directions à la fois. Ne sachant pas ce dont ils s'agissaient, ils commencèrent par soupçonner les pigeons qui avaient élu domicile sur l'instrument, assez volumineux. Après les avoir chassé et avoir nettoyé l'appareil, toutefois, ils durent constater que ce bruit de fond persistait.

Après quelques calculs, ils finirent alors par comprendre qu'ils avaient pour la première fois détecté ce que l'on appelle depuis le « fond diffus cosmologique » (« cosmic microwave background » en anglais, d'où le fait qu'on le désigne couramment par « CMB »), ce « rayonnement fossile » à 2,7 kelvins qui confirma la prédiction de 1948. J'en ai parlé plusieurs fois dans ces threads, entre la prédiction et l'observation, il s'écoule parfois pas mal de temps.

13/16 Le fond diffus cosmologique n'est cependant pas complètement homogène : en étudiant les très légères variations de température qu'on y détecte, on peut se faire une idée de la répartition de la matière dans l'espace au moment de son émission. C'est cette répartition initiale qui guidera ensuite l'organisation de la matière au sein de notre univers, conduisant aux structures à grandes échelles dont nous avons parlé la semaine dernière.

Cette première détection du fond diffus cosmologique, d'abord attribuée à tort à des pigeons, est donc aussi un bon exemple de cas où une découverte accidentelle a conduit à d'immense progrès de nos connaissances ; même si, évidemment, tout un tas d'autres mesures plus spécifiques ont été effectuées par la suite, notamment par un télescope spatial un peu moins connu baptisé Planck.

14/16 On parlera de Max Planck, à qui ce télescope doit son nom, quand on commencera à se pencher sur l'infiniment petit. En attendant, et puisqu'on en est à parler de télescopes spatiaux, abordons donc comme promis les deux plus célèbres d'entre eux. Hubble, collaboration entre la NASA et l'ESA, est dans l'espace depuis maintenant 35 ans. Avec son miroir de deux mètres quarante, il a pu obtenir tout un tas de clichés fascinant de l'univers qui nous entoure, qui ont beaucoup fait progresser notre compréhension de l'univers.

Mais pour étudier les objets très lointains comme ceux sur lesquels ont porté les travaux du scientifique auquel il doit son nom, Hubble se trouve être un peu limité. En effet, il est spécialisé pour observer en lumière visible et dans les rayonnement ultraviolets, mais n'est sensible qu'à une petite partie des infrarouges (voyez ma vidéo sus-mentionnée si vous ne voyez pas trop de quoi je parle ici).

Bon, ça permet quand même des photos magnifiques, mais voyez pour ça par là : https://esahubble.org/images/

15/16 Or, le glissement vers le rouge dû à l'effet Doppler-Fizeau et dont on a parlé plus haut fait que les galaxies les plus lointaines ont souvent une lumière qui descend assez bas dans les infrarouges, et sort donc des limites de ce que Hubble peut capter. C'est pour cette raison que le télescope James Webb, lancé pour sa part en 2022, est spécialisé dans ces longueurs d'ondes-là (spécialisé au point qu'il ne capte pour sa part même pas l'ensemble du spectre visible).

C'est d'ailleurs pour cette spécialisation que son miroir est constitué notamment d'une fine couche d'or, ce métal précieux réfléchissant très bien les infrarouges. Placé sur une orbite assez éloignée de la Terre, ce qui permet de le coordonner avec des télescopes terrestres pour obtenir encore plus d'informations, il nous permet donc de visualiser des objets très lointains, et donc de remonter très loin dans le passé de notre univers.

Voyez ce que ça peut donner comme différences par là, par exemple : https://apod.nasa.gov/apod/ap240206.html

16/16 Si ces deux-là sont les plus connus, il y a évidemment pas mal d'autres télescopes, terrestres ou spatiaux, avec des spécialités différentes, comme par exemple repérer des astéroïdes dans notre système solaire, ou des exoplanètes au delà. Si l'univers s'agrandit, les moyens dont on dispose pour arriver à le comprendre également, et c'est plutôt chouette :-)

Je suis par contre beaucoup moins calé sur les technos (télescopes, fusées…) que sur les données qu'elles ont permis d'obtenir (et la façon dont ça s'est passé), mais si ça vous branche, je tenterai peut-être de parler de quelques trucs liés à ça à l'occasion, comme l'histoire de la course à la Lune. N'hésitez pas à demander si ça vous intéresse. Sinon et comme prévu, je tenterai probablement de partir du côté de l'infiniment petit la semaine prochaine.