A propos des travaux d'Halton Arp

Introduction (I)

En 1987, l'astronome américain Halton Arp publia un livre intitulé "Quasars, Redshifts, and Controversies"[1] consacré à l'interaction présumée des galaxies avec des quasars distants, livre dans lequel l'auteur nous présenta de manière unilatérale l'une des questions clés de la cosmologie moderne : que représente le décalage Doppler des galaxies ? 

Nous allons réexaminer et documenter les différents interprétations que l'on trouve à ce sujet dans la littérature afin d'évaluer dans quel sens nous devons considérer les propos d'Halton Arp.

Ce genre de traitement se produit continuellement en science à propos des travaux importants; les articles sont appréciés par un comité de lecture (appelé "referee" représentant des experts du domaine concerné), et la plupart des travaux qui sont finalement publiés sont à nouveau contrôlés et répétés par d'autres. En collaboration avec Dave Latham nous n'allons rien faire d'autre que répéter ses travaux. 

Depuis la publication du livre d'Halton Arp, très peu d'études entreprises par les professionnels pour examiner ses prétendues découvertes ont été communiquées à la communauté des amateurs dans les magazines ou sur Internet.

Il m'a donc semblé opportun de discuter de cette problématique car on ne peut pas discuter de cette polémique sans en connaître réellement les détails, et sous-entendre qu'il faut rejeter son point de vue simplement parce qu'il ne cadre pas avec le modèle "standard" sans juger de ses mérites.

Cette polémique, toujours d'actualité[2], est en partie due au fait que Arp n'a jamais présenté d'alternative bien claire pouvant servir de base au développement d'une série de prédictions intéressantes et de tests.

Mais certains astronomes anticonformistes tel Thomas Van Flandern directeur du Meta Research jugent qu'un tel cadre de référence n'est pas avantageux car les chercheurs tenteront alors de ne considérer que les interprétations sans considérer les faits. Cela dit la théorie du Big Bang nous propose ce cadre de référence et est presque universellement acceptée.

D'où vient la problématique ? Considérons des questions simples comme par exemple : peut-on prouver le mouvement de la Terre ? Une série d'observations sont consistantes avec l'idée que la Terre subit un mouvement de rotation (alternance du jour et de la nuit, la marée liée à la force centrifuge de la Terre, les mouvements lunaires) et se déplace sur son orbite (révolution synodique, le climat, le radian des météores, etc), mais aucune d'elle ne prouve qu'il en est ainsi. 

Peut-on prouver que les décalages vers le rouge (redshifts) sont dûs à la vitesse, ou plus exactement à l'expansion de l'univers ? Non plus, mais nous pouvons dresser la liste d'une série d'observations et d'interprétations consistances avec ce point de vue (dont l'effet Doppler). 

Et de la même façon, Arp peut-il prouver que les redshifts contiennent une large composante non imputable à la vitesse ? Non, mais il a dressé la liste d'une série d'observations qui ne sont pas tout à fait concordantes. Et même si ces objets ne représentent qu'une fraction de pourcents d'objets sur des centaines de milliers répertoriés, l'interprétation qu'ils ont suscitée remet en question la théorie cosmologique acceptée par plusieurs générations d'astronomes depuis les années 1930, d'où la levée de boucliers que fit cette prétendue découverte dès sa publication dans le petit monde fermé des astronomes.

A consulter au Caltech

Le catalogue ARP en images

Parmi les rares astronomes qui se sont attachés à étudier de façon détaillée les travaux d'Halton Arp, l'astrophysicien américain Dave Latham de l'Université d'Harvard fit un travail remarquable de vulgarisation en réexaminant ces travaux en 1990, suite à la pression amicale de ses élèves, afin de se faire une idée précise de cette problématique. On ne peut en effet ni accepter ni rejeter une conclusion particulière si on ne connaît pas le sujet en détails. Mais par ailleurs comme le disait à propos Sherlock Holmes, "c'est une erreur capitale que de bâtir une théorie sans avoir réuni toutes les preuves. Cela fausse le jugement". C'est donc pour répondre à ces deux remarques pertinentes que nous allons étudier les travaux d'Halton Arp et proposer quelques axes de discussions.

A titre professionnel c'était aussi pour Latham une bonne excuse pour s'intéresser d'un peu plus près à l'Amas Local et aux amas extragalactiques compacts. Comme bon nombre de lecteurs le feront à n'en pas douter, Latham passa pendant trois mois la plupart de ses après-midi dans une bibliothèque, lisant tout ce qu'il pouvait trouver sur le sujet dans la littérature scientifique.

J'ai donc contacté Dave Latham à cette époque via le Usenet. Après un échange de correspondance, il a directement accepté de partager ce qu'il avait découvert, chaque élève prenant ensuite la peine de reproduire ses calculs et d'essayer de comprendre la méthode utilisée par Halton Arp pour aboutir à ses conclusions. Voici son témoignage.

A propos du décalage Doppler

Avant toute chose j'aimerais préciser quelques points de détails qui nous seront utiles plus loin lorsqu'il s'agira de mesurer les décalages Doppler des galaxies distantes.

Les raies d'absorption qu'on observe dans un spectre d'étoile ou d'une galaxie sont en général décalées proportionnellement à leur vitesse. Ce décalage s'exprime par la formule bien connue :

Z = V'/V_o = v/c

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

En relativité restreinte, Z peut donc avoir une valeur supérieure à 1 assez rapidement. Sans la théorie d'Einstein nous ne pourrions comprendre comment un objet peut se déplacer plus rapidement que la vitesse de la lumière.

Se greffe sur cette loi, les méthodes de travail. Il existe en effet plusieurs méthodes pour mesurer le décalage Doppler des galaxies. Il faut savoir quelle partie (bras ou noyau) on examine, et, si on travaille dans le spectre optique ou en radio, si l'objet est proche ou lointain. 

Optiquement parlant, on tente d'utiliser la même ouverture pour toutes les galaxies que l'on mesure : 6" x 3" pour le catalogue "CfA Redshift Survey" par exemple. Pour les galaxies les plus proches, qui s'étendent sur plusieurs minutes d'arc sur le ciel, nous n'analysons que la partie centrale comprenant le noyau. Pour les galaxies plus distantes, pour lesquelles le diamètre apparent peut se réduire à moins d'une minute d'arc, nous analysons ensemble le noyau ainsi que la région alentour. Dans la partie radio, la résolution du faisceau est d'ordinaire plus grande que la taille apparente de la galaxie que nous mesurons, et nous intégrons donc tout l'objet d'un seul coup.

Mise à part la distance de l'objet, quels sont les facteurs qui influencent le décalage Doppler des raies spectrales d'une étoile ? Les raies spectrales peuvent être décalées pour quatre raisons essentielles. Les raies peuvent tout d'abord être décalées par un champ magnétique très puissant (qui sépare également les raies en leur composantes). Pour les étoiles naines, telle AM Herculis, dans lesquelles le champ magnétique s'élève à des millions de Gauss, les raies peuvent être décalées de plusieurs centaines d'angströms par rapport au spectre de référence, au repos.

La lumière peut également être décalée lorsqu'elle essaye de s'affranchir d'un champ gravitationnel intense. Le spectre du Soleil par exemple est décalé d'environ 0.01 Å par la gravité qui règne à sa surface, qui est environ 10 fois supérieure à celle de la Terre.

Que se passe-t-il lorsqu'une étoile est en rotation ? Si la lumière nous arrive du côté qui s'approche de nous, celle-ci sera décalée vers le bleu alors que les éléments s'éloignant de nous seront décalés vers le rouge. La partie de l'astre nous faisant face ne présentera pas de décalage Doppler. Les raies seront simplement plus larges que celles d'un astre au repos. Cette propriété est mise à profit pour analyser la dynamique des éléments dans l'atmosphère solaire (trichromie autour de la raie de l'Hydrogène-a) ou les galaxies (mouvements dans les bras spiraux).

Que voit-on lorsqu'on mesure le spectre intégré d'un amas globulaire ou d'une galaxie, dans lequel la lumière de toutes les étoiles est mêlée ? Tant pour les mesures optiques que radios, les étoiles et le gaz évoluant sur des orbites autour du noyau de l'amas, la dispersion des vitesses élargit les raies spectrales de 100 à 500 km/s. Cette dispersion est beaucoup plus faible que celle mesurée globalement pour tout un amas.

La vitesse relative typique d'une étoile du disque de la Galaxie peu éloignée du Soleil est de 15 km/s (Z = 0.00005). Ce redshift représente déjà une vitesse très élevée. Un coureur de 100 mètres par exemple ne peut atteindre que 0.010 km/s en l'espace de 10 secondes, et un 747 vole à environ 0.2 km/s. Actuellement, la plupart des étoiles proches du Soleil se déplacent ensemble autour du noyau de la Galaxie à une vitesse d'environ 220 km/s.

Illustration des différents mouvements galactiques relatifs.

Le décalage spectral le plus élevé pour une étoile de notre Galaxie est d'environ -10 Å, l'étoile se rapproche de nous, ce qui correspond à une vitesse de long de la ligne de visée relativement au Soleil de -585 km/s (Z = -0.002). La Terre se déplace autour du Soleil à une vitesse d'environ 30 km/s, ce qui en soit peut-être un facteur important. Connaissant parfaitement l'orbite de la Terre et sa vitesse orbitale, les mesures de redshifts doivent être corrigées pour le centre du Soleil avec une précision supérieure à 0.001 km/s.

Illustration des différents mouvements galactiques absolus.

Mais que se passe-t-il si on considère l'orbite de la Terre autour du centre de la Galaxie ? Si nous voulons étudier les décalages spectraux des objets situés en dehors de notre Galaxie, nous devrons tenir compte de ce déplacement. Et qu'en est-il de l'orbite de notre Galaxie dans le Superamas Local de galaxies ? Si nous désirons étudier les décalages spectraux des objets situés au-delà du Superamas Local, nous devrons également les corriger pour ce mouvement. Voyons à présent comme Arp s'y prend dans son chapitre 7.

Les redshifts dans l'Amas Local de galaxies

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