Loi de Hubble - Définition et Explications

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Introduction

Le télescope Hooker de l'observatoire du Mont Wilson, en Californie. Edwin Hubble a utilisé cet instrument pour découvrir la loi qui porte son nom.

En astronomie, la loi de Hubble énonce que les galaxies s'éloignent les unes des autres à une vitesse (On distingue :) (approximativement, voir ci-dessous) proportionnelle à leur distance. Autrement dit, plus une galaxie (Galaxies est une revue française trimestrielle consacrée à la science-fiction. Avec...) est loin de nous, plus elle semble s'éloigner rapidement. Cette loi ne concerne bien évidemment que la partie de l'univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.) accessible aux observations (univers observable). L'extrapolation de la loi de Hubble (Le télescope spatial Hubble (en anglais, Hubble Space Telescope ou HST) est un télescope en...) sur des distances plus grandes est possible, mais uniquement si l'univers demeure homogène et isotrope sur de plus grandes distances.

Expansion de l'univers et mouvements propres

Il s'agit là d'un mouvement d'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection...) des galaxies de l'univers. À celui-ci se superposent les mouvements propres acquis par les galaxies du fait de leurs interactions gravitationnelles avec leurs voisines. Par exemple, la Voie lactée (La Voie lactée (appelée aussi « notre galaxie », ou parfois...) forme un système gravitationnellement lié avec la galaxie (Une galaxie est, en cosmologie, un assemblage d'étoiles, de gaz, de poussières et de...) d'Andromède qui ont toutes deux une orbite (En mécanique céleste, une orbite est la trajectoire que dessine dans l'espace un corps...) elliptique très allongée qui fait qu'actuellement, la galaxie d'Andromède s'approche de nous. De même, la Voie lactée et la galaxie d'Andromède se rapprochent peu à peu du superamas de la Vierge (Le superamas de la Vierge, également appelé superamas local, est un superamas de galaxies qui...). Néanmoins, au-delà d'une certaine distance, le mouvement général d'expansion l'emporte sur les mouvements propres, et toutes les galaxies lointaines s'éloignent de nous.

Formule de la loi de Hubble

La vitesse de récession apparente v des galaxies étant déduite de la formule Doppler et sa distance d mesurée par les céphéides, la loi de Hubble s'écrit simplement

v = H_0 d\;,

H0 est la constante de Hubble, la lettre H étant bien sûr utilisée en l'honneur de Hubble. L'indice 0 est utilisé pour indiquer la valeur de la constante à l'instant (L'instant désigne le plus petit élément constitutif du temps. L'instant n'est pas...) présent. Celle-ci en effet n'est pas constante dans le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...). Elle était plus élevée par le passé (Le passé est d'abord un concept lié au temps : il est constitué de l'ensemble...) (bien que certaines observations semblent indiquer qu'elle serait en augmentation depuis quelques milliards d'années).

On peut le cas échéant remplacer la vitesse v par sa valeur déduite du décalage vers le rouge (Le décalage vers le rouge ou redshift est un phénomène astronomique de décalage vers les...) z et la vitesse de la lumière (La vitesse de la lumière dans le vide, notée c (pour...) c pour obtenir

c z = H_0 d\;.

Ces deux lois ne sont valables que pour de faibles valeurs de la vitesse, donc pour des distances relativement faibles. On sait de nos jours (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la...) que l'interprétation du décalage vers le rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait...) en termes d'effet Doppler n'est pas correcte physiquement puisque l'augmentation de distance au cours du temps entre deux galaxies n'est pas due à la vitesse des galaxies dans un espace fixe mais plutôt à un étirement de l'espace lui-même, les galaxies restant fixes dans cet espace. Il faut donc faire une analyse différente (En mathématiques, la différente est définie en théorie algébrique des...). On trouvera plus loin des détails sur l'interprétation physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) de la loi de Hubble et les modifications à la loi de Hubble qui en résultent.

Genèse de la loi de Hubble

La loi de Hubble tire son nom de l'astronome (Un astronome est un scientifique spécialisé dans l'étude de l'astronomie.) américain Edwin Hubble qui la publia en 1929. Elle fut la première preuve de l'expansion de l'univers, un phénomène générique prédit par la relativité générale (La relativité générale, fondée sur le principe de covariance générale...), et du Big Bang (Le Big Bang est l’époque dense et chaude qu’a connu l’univers il y a...), le modèle cosmologique qui en résulte le plus naturellement. Hubble découvrit cette loi en observant un décalage vers le rouge presque systématique (En sciences de la vie et en histoire naturelle, la systématique est la science qui a pour...) dans les galaxies dont il avait découvert auparavant la nature exacte à l'aide de l'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les...) d'un certain type d'étoiles variables, les céphéides. Ces étoiles sont sujettes à des variations de luminosité (La luminosité désigne la caractéristique de ce qui émet ou réfléchit...) dont la période est reliée à la luminosité absolue (L'absolue est un extrait obtenu à partir d’une concrète ou d’un...) suivant une loi établie par l'astronome Henrietta Leavitt au début du XXe siècle. L'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les...) de la période de variation des céphéides dans une autre galaxie permettait ainsi de déduire leur distance relative. La vitesse de fuite de ces mêmes galaxies était, elle, mesurée par l'observation d'un décalage vers le rouge de leur spectre, effet interprété comme étant dû à leur mouvement de fuite (voir effet Doppler-Fizeau).

C'est en comparant ce décalage à la distance de ces galaxies, qu'il trouva une relation linéaire entre les deux, annoncée en 1929. Pour cette raison, la paternité de la loi de Hubble est attribuée à Edwin Hubble, d'où son nom. Cependant, deux ans plus tôt, Georges Lemaître avait prédit l'existence de cette loi en étudiant un type de modèle issu de la relativité générale. Dans son article écrit en français et publié dans les Annales de la société scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui...) de Bruxelles, il indique clairement que cette loi qu'il a prédite est vérifiée par les observations dont il dispose (pour la plupart œuvres de Hubble et Gustaf Strömberg). Étant publié en français, et traduit en anglais par Arthur Eddington après la publication des résultats de Hubble (en 1931), ce résultat de Lemaître est resté inaperçu, d'autant que la traduction anglaise de son article par Eddington est étrangement amputée de la phrase clé qui énonce la relation.

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