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Au-delà de 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 il 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 luminosité/période découverte 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. A lire : Cepheids in Spiral Nebulae, Edwin Hubble The Observatory, Vol. 48, 1925, pp139-142 (PDF de 344 KB)
Hubble conclut bientôt que cette "nébuleuse" 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 2.2 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. 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 35eme
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". 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 le petit amas
d'étoiles NGC 6822 et découvrit qu'il se situait à environ un million
d'années-lumière. Il s'agissait en fait d'une petite galaxie
irrégulière, membre de l'Amas Local au même titre que les Nuages de
Magellan.
Après avoir photographié, analysé et mesuré les spectres de 46 galaxies, en 1929 Hubble[5] 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 la “constante de Hubble” symbolisée par H, et il l'estimera valoir +500 km/s/Mpc. Cette fameuse loi s’écrivait : r H = v Il publia également un graphique qui, pour la première fois, apportait la preuve de l’expansion de l’univers. 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". A lire : L'article original d'Edwin Hubble de 1929 "A Relation between Distance and Radial Velocity among Extra-Galactic Nebulae"
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. 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 sera invité à présenter des conférences dans les universités américaines et britanniques. Il recevra honneurs et médailles et devint doctor honoris causa de plusieurs universités. Trois générations se sont écoulées depuis le travail d’Hubble. Dans une interview accordée à Kip Thorne pour célébrer le centenaire de sa naissance, Alan 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." A consulter : Comment déterminer la vitesse radiale des galaxies Mais au fil du temps, les astronomes ont découvert que la loi de Hubble présentait un autre avantage. Celui de pouvoir déterminer l’âge de l’Univers, car l’intervalle de temps 1/H est indépendant de la distance. C’est la raison pour laquelle, depuis la découverte de Hubble, sa constante n’a cessé d’osciller entre 50 et 100 km/s/Mpc. Mais 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 10 milliards d’années.
Vers 1930 ce
chiffre gardait un sens car il correspondait, ainsi que l’avait fait
remarquer 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 et des objets lointains
âgés d’au moins 12 milliards d’années... En prenant une constante
de Hubble
proche de 50 et une valeur adéquate de densité, l’Univers pourrait
avoir 20 milliards d’années. Mais Gérard de Vaucouleurs et les
partisans d’une valeur haute s’insurgent, rappelant que les nouvelles
échelles de distances ne s’accordent pas avec une si faible valeur, pas
plus que l’évolution stellaire.
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 établit que la constante de Hubble semblait osciller entre 80 et 87
km/s/Mpc. Des mesures plus récentes porteraient sa valeur à 65 km/s/Mpc
(J.Huchra). Nous en reparlerons. Même si cette affirmation converge vers la valeur qui fait
consensus, cela donne à l’Univers un âge de 9 à 12 milliards d’années.
Or certains associations d'étoiles seraient âgées de près de 15
milliards d'années... Reste donc à 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 Prochain chapitre La classification des galaxies
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