Du Big Bang à la mission Planck

Publié par Publication le 23/03/2014 à 20:52

Edwin Hubble


Edwin Hubble
Illustration: Western Washington University

Edwin Powell Hubble est né en 1889. Juriste de formation et diplômé de l'Université de Chicago en 1910, il se rend compte qu'il est passionné d'astronomie (L’astronomie est la science de l’observation des astres, cherchant à expliquer...). Il obtient son doctorat (Le doctorat (du latin doctorem, de doctum, supin de docere, enseigner) est généralement...) en 1917 et passe alors le plus clair de son temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...) à l'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les...). Il travaille à l'observatoire le plus puissant de l'époque: le télescope (Un télescope, (du grec tele signifiant « loin » et skopein signifiant...) du Mont Wilson en Californie. Ce télescope, don de John D. Hooker, se trouve à 1742 mètres d'altitude (L'altitude est l'élévation verticale d'un lieu ou d'un objet par rapport à un niveau...), a un miroir (Un miroir est un objet possédant une surface suffisamment polie pour qu'une image s'y forme...) principal de 2.5 mètres de diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre...), et fut le plus grand télescope du monde (Le mot monde peut désigner :) jusqu'en 1949, année (Une année est une unité de temps exprimant la durée entre deux occurrences d'un évènement lié...) où le télescope Hale le destitue avec un diamètre de 5 m.


Le télescope du Mont Wilson en Californie.
Illustration: Photograph © Andrew Dunn, 1989 - Wikipedia

Hubble était intrigué par des objets que l'on appelle des nébuleuses, dont la nature n'était pas très bien comprise. En effet, ce sont des objets répertoriés dans le catalogue de Messier, et cette catégorie était très hétérogène, l'on appelait nébuleuse (Une nébuleuse (du latin nebula, « nuage ») désigne, en astronomie, un...) aussi bien les rémanents d'une supernova (Une supernova est l'ensemble des phénomènes conséquents à l'explosion d'une...) (comme par exemple la nébuleuse du Crabe), qu'une galaxie (Galaxies est une revue française trimestrielle consacrée à la science-fiction. Avec...) (la nébuleuse d'Andromède). A l'époque, l'on ne comprenait pas ces objets. Emmanuel Kant pensait que les nébuleuses, tâches floues vues d'un télescope de l'époque, étaient des univers-îles.

Rappels de spectroscopie


Schéma de la décomposition de la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...) blanche à travers un prisme.
Illustration: Wikimedia Commons (Wikimedia Commons (souvent nommé Commons) est une médiathèque en ligne.)

La spectroscopie est l'étude de la lumière émise par une source lumineuse. Il suffit de mettre un prisme sur le trajet de la lumière émise et de l'observer à l'aide d'un goniomètre (Un goniomètre est un appareil servant à mesurer les angles.). Vers la fin du XIXème siècle (Un siècle est maintenant une période de cent années. Le mot vient du latin saeculum, i, qui...), l'on savait qu'un élément chimique pouvait être identifié sans équivoque en observant simplement ses raies d'absorption ( En optique, l'absorption se réfère au processus par lequel l'énergie d'un photon est prise...) ou d'émission. Par exemple le sodium (Le sodium est un élément chimique, de symbole Na et de numéro atomique 11. C'est un...) est connu pour émettre une double raie (Raie [ʀɛ] est un nom vernaculaire ambigu qui correspond en français à de...) à 5890.0 et 5895.9 Angström (Un ångström ou angström (symbole Å) est une unité de mesure en physique atomique qui...). De même l'on avait répertorié en long et en large les raies de l'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.), observant même une certaine régularité portant des noms tels que: série de Balmer, Paschen, Lymann, etc... Ceci permit d'établir une carte d'identité des atomes et molécules. C'est d'ailleurs de cette façon que l'on a découvert l'hélium (L'hélium est un gaz noble ou gaz rare, pratiquement inerte. De numéro atomique 2, il...) en 1868, en identifiant (En informatique, on appelle identifiants (également appelé parfois en anglais login) les...) des raies provenant du Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile...) jusqu'alors inconnues.

Au début du XXème siècle s'est développée (En géométrie, la développée d'une courbe plane est le lieu de ses centres de...) la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer,...) quantique qui permettait enfin d'expliquer les raies d'absorption et d'émission des atomes. C'est alors que l'on comprit que les électrons se répartissent différemment autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne...) d'un atome (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut...), cette répartition différente (En mathématiques, la différente est définie en théorie algébrique des...) induit (L'induit est un organe généralement électromagnétique utilisé en électrotechnique chargé de...) une énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) différente. Lorsque les électrons se réarrangent différemment, la différence d'énergie est alors prélevée, ou restituée au milieu environnant.

Le décalage vers le rouge ou redshift

L'analyse du spectre d'absorption de ces objets montrait alors qu'ils étaient tous décalés vers le rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait...) (à l'exception de la galaxie (Une galaxie est, en cosmologie, un assemblage d'étoiles, de gaz, de poussières et de...) d'Andromède). Pourtant les astres que l'on voyait étaient composés des mêmes éléments chimiques. L'interprétation la plus simple est d'ordre cinématique (En physique, la cinématique est la discipline de la mécanique qui étudie le...), par analogie avec une sirène d'ambulance (Une ambulance est un véhicule permettant de transporter des personnes malades ou blessées vers un...) qui chante un "la" à 440 Hz, lorsque l'ambulance se rapproche de nous, le son émis semble plus aigu, et lorsque l'ambulance s'éloigne de nous, le son émis semble plus grave. De la même façon, lorsqu'une étoile (Une étoile est un objet céleste émettant de la lumière de façon autonome, semblable à une...) se rapproche de nous, les radiations émises se trouvent dans des longueurs d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation...) plus faibles, donc décalées vers le bleu (Bleu (de l'ancien haut-allemand « blao » = brillant) est une des trois couleurs...), et lorsque l'étoile s'éloigne de nous, ces mêmes radiations se trouvent dans des longueurs d'onde plus grandes, donc décalées vers le rouge. La conclusion est donc que toutes les galaxies s'éloignent de nous (exceptée Andromède).


Spectres d'absorptions d'un même composant.
En haut, le composant est immobile par rapport à nous.
Au milieu, le composant s'éloigne de nous, son spectre est décalé vers le rouge (redshift).
En bas, le composant se rapproche de nous, son spectre est décalé vers le bleu (bleushift).
Illustration: http://coolcosmos.ipac.caltech.edu

Pour établir la distance des galaxies, Hubble (Le télescope spatial Hubble (en anglais, Hubble Space Telescope ou HST) est un télescope en...) utilise des étoiles dont on sait relier la luminosité (La luminosité désigne la caractéristique de ce qui émet ou réfléchit...) à la période de variation de la luminosité: les Céphéides. C'est comme si l'on mesurait la luminosité d'un phare, plus l'on est près du phare, et plus il est brillant, plus on s'éloigne et plus il sera faiblement lumineux. Cependant, en mer (Le terme de mer recouvre plusieurs réalités.), si nous voyons deux phares de même intensité, nous ne savons pas si nous sommes plus près de l'un ou de l'autre, puisque cela dépend de la luminosité du phare. De la même façon, connaissant la luminosité intrinsèque des Céphéides (grâce à leur période de variation), il suffit de mesurer leur luminosité, ensuite leur rapport donne la distance, puisque l'intensité de la lumière diminue avec le carré (Un carré est un polygone régulier à quatre côtés. Cela signifie que ses...) de la distance.

La loi de Hubble et l'expansion de l'Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.) (1929)

Le résultat obtenu est le suivant:


La loi de Hubble
Illustration: imagine.gsfc.nasa (La National Aeronautics and Space Administration (« Administration nationale de...).gov

Ces nébuleuses sont donc des objets extragalactiques, puisque leur distance se mesure en méga parsec (Le parsec (symbole pc) est une unité de longueur utilisée en astronomie. Son nom vient de la...) (en millions d'années-lumière). De plus il existe une relation simple de proportionnalité (On dit que deux mesures sont proportionnelles quand on peut passer de l'une à l'autre en...) entre leur décalage vers le rouge et leur distance. Hubble interprète ce décalage comme une vitesse (On distingue :) de fuite des galaxies. Donc les galaxies s'éloignent de nous d'autant plus vite que leur distance est élevée. Cela ne fait pas de nous le centre de l'Univers, puisque si on se plaçait sur une autre galaxie, on verrait exactement la même chose.

Interprétation du décalage vers le rouge

L'interprétation de Hubble n'est pas tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) à fait exacte. Si nous nous laissons guider par cette interprétation, nous arrivons rapidement à une contradiction (Une contradiction existe lorsque deux affirmations, idées, ou actions s'excluent mutuellement.). En effet, si la vitesse d'un objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans...) est proportionnelle à sa distance, alors au delà d'une certaine distance, un objet se déplace plus vite que la lumière par rapport à nous, ce qui contredit la théorie de la relativité (Cet article traite de la théorie de la relativité à travers les âges. En physique, la notion de...). L'expansion est en fait une expansion de l'espace lui-même, et non un déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles...) des objets. En effet, les équations de Friedmann débouchent sur un facteur d'échelle, qui augmente au cours du temps, c'est l'expansion. Cela veut dire que pour une distance donnée (Dans les technologies de l'information, une donnée est une description élémentaire,...) entre deux corps célestes, après une certaine durée, la valeur de ce facteur d'échelle va doubler, ce qui veut dire que la distance entre ces objets aura également doublé.

Si l'on supprime une dimension (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce...), alors l'espace est représenté par la membrane d'un ballon de baudruche (La baudruche est une pellicule extraite des l'intestin de divers animaux, et, par analogie, une...), dont les galaxies seraient sur la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...) du ballon et immobiles (l'on pourrait par exemple faire une marque au feutre, marque représentant une galaxie). A mesure que le ballon gonfle, les galaxies s'éloignent les unes des autres, avec une vitesse proportionnelle à leur distance. Cette expansion de l'espace ne se fait pas à partir d'un point (Graphie), elle se fait de partout. Dans l'exemple du ballon de baudruche, l'on pourrait penser que le ballon gonfle depuis le centre du ballon. Cependant, c'est une illusion d'optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement...) due à la perspective de la représentation, puisque ce point est en dehors de la membrane du ballon et n'existe pas. (c'est comme le point vers où se rejoignent des lignes parallèles sur une photographie, ce point imaginaire est dû à la projection (La projection cartographique est un ensemble de techniques permettant de représenter la surface de...) en 2 dimensions d'un espace en 3 dimensions).
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