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L'univers des galaxies

Le Quintet de Stephan. Documents STScI/Subaru/R.Gendler.

Au-delà de la Voie Lactée (I)

Malgré l'aspect chatoyant des nébuleuses, on ne saurait imaginer la diversité des objets qui se cache derrière la voûte céleste, par-delà la Voie Lactée.

Que penser en effet de ces petites taches diffuses que l’on observe à l’oculaire d’un télescope par une nuit claire et sans Lune ? Un amateur observant le ciel avec un télescope constate qu'à mesure qu'il utilise des instruments plus puissants (de plus grand diamètre), non seulement le nombre d’étoiles parsemant son champ de vision augmente exponentiellement mais toutes une série de petites taches claires plus ou moins allongées deviennent apparentes (ex. Photo1, Photo2 de la région de la Vierge).

Avec des moyens techniques amateur, il est difficile d’identifier ces objets. Leur centre est brillant tandis que leurs formes s’estompent progressivement sur quelques secondes voire quelques minutes d’arc de distance. Fait remarquable, la plupart de ces taches claires sont allongées et des sortes d’extensions en spirales sont visibles autour des plus brillantes. Seule la photographie, grâce à l’accumulation de la lumière pendant de longues expositions, permet de révéler leur identité : ce sont des galaxies, des objets tout différents des nébuleuses.

Découvrir ainsi des galaxies à l’oculaire d’un télescope est une révélation pour tous les amateurs d'astronomie, et plus encore si vous avez la chance de les observer dans un télescope d'au moins 30 cm d'ouverture. Pensez donc ! Sous vos yeux, de gigantesques rassemblements d’étoiles vous attendent là, comme suspendus dans le ciel, calmement et silencieusement, à des millions d’années-lumière... En un coup d’oeil vous embrassez des milliards de milliards de milliards de kilomètres cubes ! En même temps, vous faites un prodigieux bond dans le passé puisque la lumière ne parcourt "que" 299792.458 km par seconde.

Plus jeune, nous avons appris que dans un champ de galaxies, toutes les étoiles qu'on voit scintiller dans la turbulence atmosphérique sont en réalité situées à l’avant-plan, elles appartenaient à la Voie Lactée. C'est donc à travers cet écran poudré d’étoiles qu'on discerne les autres amas d’étoiles, les autres galaxies perdues dans le vide sidéral, par-delà le voile scintillant de la Voie Lactée.

On a du mal à imaginer de telles distances et des tels volumes. Notre seul point de repère est l’illusion de profondeur qu'on ressent en observant les amas compacts de galaxies dont les différentes magnitudes nous donnent une impression de perspective.

A gauche, une photographie étonnante d'une région située juste au sud-ouest de l'étoile Mérak, alias β de la Grande Ourse, (cf. cette photo générale) réalisée le 18 avril 2016 par Bob Franke qui met en perspective la comète C2014/S2 (PanSTARRS) située à 2.1 UA de la Terre (2.59 UA du Soleil), entourée par la nébuleuse M97 située à 12000 années-lumière et la galaxie M108 située à 45 millions d'années-lumière. A droite, le groupe du Dragon avec de gauche à droite, la galaxie spirale NGC 5981 vue quasiment de profil, la galaxie elliptique NGC 5982 et la spirale NGC 5985. Les trois galaxies occupent un champ à peine supérieur à la moitié du disque apparent de la pleine Lune. Documents Bob Franke et Stephen Leshin.

Avec le recul des générations et des découvertes, tout ceci nous paraît aller de soi, mais ce genre d’observation peut encore nous captiver, nous émouvoir par sa beauté et ses implications philosophiques.

Nous savons aujourd'hui que l'Univers est excessivement vaste. Pour fixer l'ordre de grandeur, une galaxie type mesure 100000 années-lumière de diamètre. C'est-à-dire qu'en se déplaçant à la vitesse de la lumière, il faudrait 100 millénaires et 4000 générations humaines pour la traverser !

Ce qu'on appelle la sphère observable, c'est-à-dire le volume d'Univers visible accessible aux instruments s'étend dans un rayon d'environ 13 milliards d'années-lumière, au-delà desquelles nos télescopes ne sont pas assez puissants pour distinguer les galaxies les plus pâles. Il y a peu on pensait que ce volume d'espace contenait environ 120 milliards de galaxies semblables à la Voie Lactée. Or nous verrons à propos des découvertes récentes qu'on a largement sous-estimé le nombre de galaxies qu'on estime 10 fois supérieur : il existe 2 trillions de galaxies dans l'Univers visible !

Vous comprendrez mieux comment nous sommes arrivés à ces résultats et toute l’importance qu’ils revêtent en cosmologie quand nous aurons décrit en quelques mots quel a été le travail des pionniers en ce domaine.

Nous allons découvrir qu’au-delà de la Voie Lactée, tout un univers de galaxies et d’objets exotiques nous attendent, nous donnant le fol espoir de croire qu’un jour nous irons les contempler in situ.

Malgré les apparences, tous les objets qui peuplent l'Univers ont en commun d’appliquer strictement les mêmes lois de la physique. C'est une chance pour nous, car cela nous permet de comprendre leur évolution à partir de modèles standards, qu'ils soient situés à deux pas et minuscules ou géants et perdus aux confins du cosmos.

Voyons à présent comment les premiers astronomes ont découvert les galaxies.

L'énigme de la Grande Nébuleuse d'Andromède

Emmanuel Kant.

En 1750, l'astronome, mathématicien et architecte anglais Thomas Wright avait suggéré dans son livre "Une Théorie Originale ou une Nouvelle Hypothèse sur l'Univers" (pp.83-84) que les nuages diffus qui traversaient le ciel étoilé représentaient une structure stellaire distincte mais trop éloignée pour être visible dans un télescope. Cette conception inspira le philosophe allemand Emmanuel Kant qui  imagina en 1755 dans son "Histoire Naturelle Générale et la Théorie de Ciel" qu'il existait d'autres "univers" semblables à la Voie Lactée et prodigieusement éloignés.

Les galaxies, décrites par Maupertuis[1] en 1732 comme étant "les petites places un peu plus lumineuses que l'obscurité de l'espace vide du ciel [...] qui ont toutes en commun de représenter des ellipses plus ou moins ouvertes" étaient considérées jusqu'alors comme des ouvertures dans le firmament laissant voir le "ciel de feu".

Kant[2] considéra que cette explication ne pouvait plus être admise. Dans son esprit, ces "sortes de nébuleuses sont des systèmes de nombreuses étoiles que leur distance dispose en un espace si étroit que leur lumière, imperceptible pour chacune prise en particulier, nous parvient grâce à leur foule innombrable en une pâle lueur uniforme. [...] La faiblesse de leur lumière nous oblige à supposer une distance infinie, [...] tout concorde pour que nous considérions ces figures elliptiques comme [...] des Voies Lactées dont nous venons de développer la constitution. [...] L'attention des observateurs du ciel a désormais des motifs suffisants pour s'occuper de ce sujet".

Son argumentation sera retenue et cette idée se renforça au cours du siècle suivant, notamment grâce aux observations minutieuses de Herschel, Messier et Lord Rosse.

C'est en 1845 que l'Irlandais William Parsons, troisième comte de Rosse, équipé de son "Leviathan" - un télescope de 1.83 m d'ouverture - parvint à résoudre la galaxie spirale M51 des Chiens de Chasse en étoiles. A l'évidence notre Galaxie n'était pas unique et il semblait exister d'autres structures équivalentes dans l'univers. Mais à quelle distance se situaient-elles ? A cette époque les observations étaient basées sur la magnitude apparente des étoiles, leur éclat vu de la Terre, mais cette méthode "intuitive" ne permettait pas aux astronomes de connaître la répartition spatiale de ces astres ni leur distance véritable.

C'est alors qu'une polémique surgit autour de la source du rayonnement de celle qu'on appelait la "Grande Nébuleuse d'Andromède", M31, la seule galaxie de l’hémisphère Nord visible à l’oeil nu tel un petit nuage diffus, non loin de la Voie Lactée, à quelques degrés du W de Cassiopée. Cette nébulosité que les Anciens connaissaient certainement depuis l'an 964 de notre ère demeurait un objet insolite du ciel. A la fin du XIXe siècle encore, les astronomes débattaient la question de savoir s’il s’agissait d’une nébuleuse semblable à la nébuleuse d'Orion, un système planétaire ou autre chose ?

Zoom sur la galaxie d'Andromède, Messier 31

Observée à l'oeil nu ou photographiée avec un objectif de courte focale, M31 ressemble à un petit nuage gris allongé perdu parmi les étoiles à l'écart de la Voie Lactée. En fait, l'analyse spectroscopique montre elle n'en fait pas partie. Au début du XXe siècle les astronomes se demandaient de quoi il s'agissait, d'une nébuleuse, d'un système planétaire éloigné ou d'autre chose. M31 est une galaxie spirale comptant environ 400 milliards d'étoiles et appartenant à l'Amas Local au même titre que la Voie Lactée, les Nuages de Magellan ou M33. Les bras extérieurs de M31 sont en fait les résidus de petites galaxies qu'elle absorba voici plusieurs milliards d'années. La galaxie d'Andromède se situe à 2.5 millions d'années-lumière et présente un diamètre supérieur à 220000 années-lumière. Elle est deux fois plus grande que la Voie Lactée et 60 % plus massive ! C'est l'une des galaxies les plus proches de nous. A gauche, une photo composite réalisée avec un objectif de courte focale. Au centre, une vue rapprochée au moyen d'un téléobjectif Samyang de 135 mm f/2.8 fixé sur une caméra CCD ZWO ASI 1600MM montée en parallèle sur un télescope de 250 mm de diamètre (empilement RGB totalisant 10 heure d'exposition). A droite, une photo prise au foyer d'un Ritchey-Chrétien RCOS de 500 mm f/8 ( empilement LRGB totalisant 90 heures d'exposition) met en évidence sa structure en spirale, les amas d'étoiles, les bandes de poussières et ses deux satellites, M32 et NGC 205. Documents Axel Mellinger, Bram Goossens et Robert Gendler.

Dans leur excellente biographie consacrée à Hubble, les astronomes A.Sharov et I.Novikov[3] précisent que le facteur décisif ayant pu clarifier le problème de la nature de la "nébuleuse d’Andromède" et des autres objets similaires peuplant la voûte céleste aurait été de mesurer leur distance. Mais en 1885 toutes les tentatives visant à mesurer la parallaxe trigonométrique de ces objets se soldèrent par des échecs; les astronomes ne constataient aucun déplacement par rapport aux étoiles. L’astronome suédois Karl Bolin essaya de l’évaluer par voie photographique et trouva une distance de 19 années-lumière pour M31, un résultat tout à fait erroné qui prête à sourire aujourd'hui.

On n’attendait pas réellement de progrès de ce côté là jusqu’au jour où, en 1885, Ernst Hartwig découvrit depuis l'Observatoire de Dorpat en Estonie une nova dans le coeur de M31. Nous savons aujourd’hui que le terme était inapproprié, il s’agissait en fait d’une supernova. Baptisée S Andromedae, elle n'atteignit que la magnitude 9.2, ce qui était très faible pour une "nova". Par comparaison, en 1901 Nova Persei avait atteint la magnitude 0. Les résidus de l'explosion de S Andromeda ne seront découverts que 100 ans plus tard à l'Observatoire Mayall du Kit Peak.

Quelques années plus tard, un riche astronome amateur anglais, Isaac Roberts, pris d’excellents clichés de M31 avec un télescope de 50 cm d’ouverture qui révélèrent les bras spiralés de cette nébuleuse et permirent d’identifier les étoiles comme des points individuels. Les analyses spectrales démontrèrent que cet objet nébuleux n’était pas un nuage de gaz.

William Huggins, un autre astronome amateur anglais fut incapable d’observer dans son spectroscope optique les brillantes raies d’émission qu’il retrouvait d’habitude dans les autres objets diffus qu’il observait dans la Voie Lactée. En 1899, C.Scheiner à Potsdam ne parvint pas non plus à photographier le spectre de cette nébuleuse. Aucune raie d’émission n’était apparente et Scheiner en conclut que la "nébuleuse d’Andromède" (en fait sa partie centrale, la plus brillante) était un système stellaire.

Que pouvait-on conclure de ces observations ? Les astronomes étaient partagés sur plusieurs points. Pour les uns, les novae brillaient avec la même luminosité maximale; cela signifiait que S Andromedae était très éloignée de la Terre, peut-être à 1500 a.l. Pour d'autres il était impossible qu'un système planétaire brille à cette distance avec un tel éclat; il devait avoir une taille astronomique.

Les instruments de la fin du XIXe siècle et du XXe siècle qui ont donné naissance à l'astrophysique moderne et permis de découvrir l'immensité de l'univers. A gauche, la lunette de 102 cm (40") de l'Observatoire de Yerkes construite en 1897. C'est la plus grande du monde. Les astronomes l'utilisent encore pour étudier la Voie Lactée et les astéroïdes géocroiseurs (EGA et NEO). Au centre, le télescope Hooker de 2.5 m (100") du Mont Wilson construit entre 1896-1904 et utilisé par Edwin Hubble. Fermé en 1986, il fut équipé d'une optique adaptative en 1992 et est toujours utilisé. Son pouvoir de résolution atteint 0.05". A droite, le télescope Hale de 5.08 m (200") du mont Palomar opérationnel depuis 1948. Il est aujourd'hui équipé d'une optique adaptative PALM-3000 portant sa résolution à 16 mas soit 0.016". Documents Josef Salgado, Tom Bejgrowicz et Palomar/Caltech.

A partir de 1917, l'astronome Herbert Curtis de l'Observatoire de Lick étudia M31 en détail car il pensait que la différence de magnitude entre Nova Persei et S Andromedae était liée à leur éloignement respectif. Dans les années qui suivirent il découvrit effectivement de nombreuses explosions de novae dans M31. Toutes demeuraient invisibles à l'oeil nu.

Curtis finit par découvrir qu'il y avait plus de novae dans M31 que dans toute la Voie Lactée ! Ces dizaines d'explosions avaient bien lieu dans un endroit précis du ciel et nul part ailleurs. Ces novae devaient donc bien appartenir à M31. Cette "nébuleuse" contenait par ailleurs un très grand nombre de petites taches brillantes et laiteuses. Curtis supposa qu'il s'agissait également de nébuleuses comme la Voie Lactée pouvait en contenir. La seule explication était de considérer M31 comme une galaxie semblable à la Voie Lactée.

Entre-temps, Van Maanen et Roberts calculèrent la vitesse de rotation de M31. Nous savons aujourd'hui que leurs valeurs étaient incorrectes, fortement influencées par les défauts de leurs instruments. En outre les observateurs travaillaient à la limite de leurs capacités. Mais à l'époque, la conclusion était qu'étant donné le mouvement bien apparent de la nébuleuse, celle-ci ne pouvait pas se situer très loin, certainement pas en-dehors de la Voie Lactée. Shapley, qui avait antérieurement déterminé la forme de la Voie Lactée et la position du système solaire, partageait cette idée, considérant que seuls les Nuages de Magellan étaient situés au-delà de la Galaxie. M31, comme toutes les autres nébuleuses devait se situer à l'intérieur de la Voie Lactée.

La véritable explication viendra de nouvelles photographies et de mesures spectrales réalisées avec le télescope le plus puissant du monde à cette époque, le télescope Hooker de 2.50 m du Mont Wilson, en Californie. Ses découvertes allaient cependant révolutionner notre vision de l'univers.

Prochain chapitre

La loi de Hubble

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[1] P.de Maupertuis, "Discours sur les différentes figures des astres", 1732. Le texte cité apparaît dans un résumé des "Acta Eruditorum" de l'année 1745.

[2] E.Kant, "Histoire générale de la nature et Théorie du ciel", Vrin, 1984, p95.

[3] A.Sharov/I.Novikov, “Edwin Hubble, the discoverer of the Big Bang universe”, Cambridge University Press, 1993, p28.


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