A propos des travaux d'Halton Arp

Une controverse astronomique (I)

En 1987, l'astronome américain Halton Arp (1927-2013) publia un livre intitulé "Quasars, Redshifts, and Controversies"[1] consacré à l'interaction présumée des galaxies avec des quasars distants, un sujet qui reflète bien l'état dans lequel se trouvait la communauté scientifique à l'époque. Dans ce livre, l'auteur nous présente de manière unilatérale l'une des questions clés de la cosmologie moderne : que représente le décalage Doppler vers le rouge ou redshift des galaxies ? Arp publia par la suite "Seeing Red". Ces livres seront précieux pour toutes les personnes qui s'intéressent aux problèmes cosmologiques et à l'histoire des sciences.

Selon Halton Arp, le problème était le suivant. Si les quasars présentaient le même décalage vers le rouge (redshift), mais étaient répartis uniformément à travers l'Univers, leur nombre total devrait augmenter d'un facteur quatre pour chaque magnitude à mesure que l'on s'éloignerait dans l'espace. Or Arp et ses collègues considéraient que ce n'est pas ce qui se passe en réalité. La découverte d'une chute drastique du nombre de quasars au-delà de z=2 représentait donc à ses yeux un problème majeur. Pour z=3 ou 4, les échantillons photographiés seraient les quasars les plus brillants à cette distance. A priori, étant donné que la galaxie et le quasar ne peuvent pas être reliés physiquement sur une aussi longue distance, Arp s'orienta vers une solution non cosmologique. Il soumit ainsi plusieurs idées à la sagacité des scientifiques :

- Quelle preuve avons-nous que l'effet Doppler observé dans le spectre des quasars (cf . la spectroscopie) est lié à l'expansion de l’Univers (cf. la loi de Hubble-Lemaître) ? Sur les milliards d'années-lumière que parcourt un photon, n'y a-t-il pas d'autres phénomènes qui peuvent l'influencer ? Cette remise en question des méthodes cosmologiques bouleverserait néanmoins toutes les lois physiques sans apporter la moindre solution.

- Trop distants pour interagir, il faut considérer que l'effet Doppler ne s'applique pas à l'ensemble des objets de l'Univers. Ce corollaire est tout aussi embarrassant.

- Si le décalage Doppler n'est pas fonction de l'éloignement, ces quasars peuvent très bien être reliés à leur galaxie hôte. Dans ce cas, le déplacement rapide des raies spectrales pourrait s'expliquer par l’éjection de matière à partir du noyau.

De telles assertions suscitèrent une violente polémique dans la communauté scientifique. S'il fallait à ce point amender les théories fondamentales, mieux valait considérer ces observations comme des artefacts optiques, des effets gravitationnels locaux, ou plus certainement comme une mauvaise interprétation des résultats. Pour les astronomes "traditionnels", la chose était classée. Ils considéraient que leurs théories étaient exactes, appuyant leur thèse de nombreux cas de figures bien plus convaincants que ceux de Arp et ses collègues.

A consulter au Caltech

Le catalogue ARP en images

Ce n'est pas la première fois qu'une telle controverse surgit dans le domaine de l'astronomie, c'est d'ailleurs le propre de la Science d'être sceptique et de remettre en question les anciennes idées dès lors que les théories sont fausses, incomplètes ou s'avèrent paradoxales par rapport à de nouveaux faits. On y reviendra à propos du rôle et de l'objectif de la Science. Mais cette fois ces divergences mirent en doute les compétences du célèbre astronome à qui l’on refusa l’accès aux observatoires de Las Campanas et de nouveaux crédits de recherches. Ces refus suscitèrent sa démission du Caltech. Soyons rassurés, Arp reprit ses travaux à l'Institut Max Planck en Allemagne où il resta jusqu'à sa retraite du monde scientifique.

Relecture

Nous allons réexaminer et documenter les différents interprétations que l'on trouve dans la littérature à propos de l'éventuelle interaction de galaxies avec des quasars distants 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 l'astrophysicien Dave Latham de l'Université d'Harvard et astronome senior au SAO, spécialiste de la dynamique des étoiles binaires et des galaxies proches, nous allons répéter les travaux d'Halton Arp. En effet, depuis la publication du livre d'Halton Arp, très peu d'études entreprises par les professionnels pour examiner ses prétendues découvertes ont été communiquées au public dans les magazines ou sur Internet.

Il semble donc opportun de discuter publiquement de cette problématique car on ne peut pas discuter de cette controverse 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 ses mérites.

Cette polémique, qui était vive à l'époque[2] dans la mesure où toutes les analyses n'avaient pas encore été réalisées faute de télescope suffisamment puissant, 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 (1940-2009), directeur du META Research jugeant qu'un tel cadre de référence n'était 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 depuis les résultats positifs de la mission Planck, cette théorie est presque universellement acceptée.

D'où vient la problématique ? Considérons des questions simples comme par exemple : peut-on prouver le mouvement de la Terre (sa rotation sur elle-même et sa révolution autour du Soleil) ? 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. Pour le prouver, il faut le démontrer mathématiquement et accessoirement être capable d'en prédire l'évolution. En effet, encore aujourd'hui, certaines personnes croient toujours que le Soleil tourne autour de la Terre. C'est apparemment vrai dans le référentiel de la Terre, mais comme illustré à gauche, un simple calcul de la parallaxe des étoiles proches prouve que cette théorie est fausse; en plus de tourner sur elle-même, la Terre gravite autour du Soleil et non l'inverse.

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 compatibles avec ce point de vue (dont l'effet Doppler et la fréquence du rayonnement cosmologique à 2.7 K).

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 avec le modèle actuel. Et même si ces objets ne représentent qu'une fraction de pourcents d'objets sur des centaines de milliers alors répertoriés, l'interprétation qu'ils ont suscitée remis 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.

Parmi les rares astronomes qui ont étudié de façon détaillée les travaux d'Halton Arp, suite à la pression amicale de ses élèves, Dave Latham fit un travail remarquable de vulgarisation en réexaminant ces travaux en 1990 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 au Groupe 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 le témoignage de cette analyse contradictoire.

A propos du décalage Doppler

Avant toute chose précisons 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 apparemment 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-α) 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 227 km/s (à l'époque des travaux de Arp, cette vitesse était estimée à 220 km/s).

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 soi 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.

Si on combine la vitesse propre du Soleil vers l'Apex (15 km/s) à son mouvement autour de la Galaxie (227 km/s), on obtient une vitesse résultante de 242 km/s (et de 235 km/s à l'époque de Arp).

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.

Notons que si on calcule le déplacement du système solaire par rapport au fond cosmologique (CMB) à 2.7 K, on obtient une vitesse d'environ 368 ±2 km/s. Quant à la vitesse du Groupe Local, elle est de 627 ±22 km/s par rapport au CMB.

Et qu'en est-il de l'orbite de notre Galaxie dans le Superamas Local de galaxies ou superamas Virgo ? 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 le Groupe Local de galaxies

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