astronomie

    Observer l’Univers qui l’entoure, depuis le plus petit grain de sable jusqu’à l’étoile lointaine, a, de tout temps, passionné l’Homme. Une manière certaine de se situer, d’expliquer sa présence, d’anticiper son avenir peut-être. Mais l’observation n’est que le début : homo sapiens, grâce à son cerveau capable d’abstraction, a presque aussitôt cherché à le comprendre, cet Univers, à le décrypter, à l’interpréter. Pour cela, il devait identifier les grandes lois physiques et mathématiques qui expliquent son agencement. Durant des siècles, s’affranchissant peu à peu des obscurantismes et des préjugés, les scientifiques ont bâti des théories, accumulé des expériences, édifié des modèles, amassé patiemment certitudes et probabilités. Après Newton, c’est Albert Einstein qui, le premier, réussit à expliquer de façon convaincante l’une des quatre grandes forces de notre environnement, la gravitation, dans sa théorie de la relativité générale (voir sujet : théorie de la relativité générale). Les trois autres forces fondamentales (interaction faible, interaction forte et électromagnétisme : voir sujet : les constituants de la matière) furent unifiées par la mécanique quantique (voir sujet : mécanique quantique) quelques années plus tard. Tout est donc parfait ? Hélas non car ces deux théories, la relativité einsteinienne et la physique des quantas, sont complètement incompatibles... Or, si l’on veut vraiment connaître les mécanismes régissant l’Univers dont nous faisons partie, il est indispensable d’avoir une explication physique globale : il est en effet peu probable que l’Univers réponde à des lois différentes selon l’endroit ou les niveaux d’où on l’observe. Vers la fin du siècle dernier, un certain nombre de théories unificatrices ont vu le jour et la plus prometteuse d’entre elles semble être la théorie des cordes.

Genèse de la théorie des cordes

     Vers 1950, il n’était toujours pas possible de comprendre vraiment la physique des particules plus petites que l’atome, particules que l’on appelle des hadrons (il s’agit en fait de particules élémentaires comme les quarks constituant protons et neutrons eux-mêmes formant le noyau des atomes, les gluons responsables de l’interaction forte entre les quarks, etc.). Tout ce petit monde fort complexe est bien régi par la mécanique quantique mais sans que l’on ait d’explication véritable sur leurs interactions. Il faudra attendre 1973 et l’arrivée d’une nouvelle théorie, la chromodynamique quantique, pour y voir un peu plus clair mais de façon encore partielle.

     C’est environ 10 ans plus tard que l’on entend réellement parler de la théorie des cordes qui se propose – puisque les particules restent en grande partie mystérieuses – de les penser autrement : dans cette théorie, les entités basiques de la physique, ces fameuses particules subatomiques, ne sont plus considérées comme des objets ponctuels mais comme des cordes infinitésimales formant des boucles qui vibreraient en possédant une tension, tout comme un élastique dont la tension s’accroit au fur et à mesure qu’on l’étire. Rappelons-nous que chaque particule subatomique est identifiée par son spin, c'est-à-dire une caractéristique particulière qui lui est propre (comme, également, la charge électrique ou la masse) représentant ici l’énergie cinétique de la particule tournant sur elle-même autour d’un axe. La théorie des cordes prétend que ce sont ces vibrations à des fréquences diverses qui expliquent les variations de spins observées et donc les différentes particules. Du coup, les divers types de cordes et leurs vibrations multiples seraient à l’origine de toutes les particules élémentaires de notre univers. Bien entendu, la théorie s’appuie sur de savantes équations mathématiques (notamment la théorie des surfaces de Riemann) que je serais bien en peine ici d'expliquer… Quoi qu’il en soit, il s’agit là d’une remise en cause complète, et de notre perception, et de notre compréhension de la physique subatomique.

Une théorie séduisante mais pas encore démontrée

     Les spécialistes de la question le disent et on les croit : pour permettre l’unification des deux grandes physiques, la théorie des cordes doit satisfaire à trois conditions principales :

    1. toutes les particules subatomiques sans exception doivent entrer dans le cadre de la théorie ;

     2. la théorie doit parfaitement décrire la gravitation 

     3. ce qui entraîne le fait qu’il doit s’agir d’une théorie géométrique, seul moyen de prendre en compte  cette gravitation.

     Que disent les équations de la théorie des cordes ? Que les trois conditions qu’on vient de voir lui sont tout à fait accessibles… à la condition qu’on considère un espace-temps à au moins dix dimensions ! Ce qui pose problème puisque dans notre univers (en tout cas pour sa partie visible) il n’existe que quatre dimensions ! L’ennui est que lorsqu’on revient à quatre dimensions, l’unicité de la théorie si intéressante disparaît… La cohérence mathématique de la théorie exige donc plus de dimensions qu’il ne semble y en avoir dans notre monde : ses partisans nous affirment que, en réalité, ces dimensions supplémentaires existent bel et bien mais qu’elles sont enroulées au niveau microscopique, un niveau des millions de fois inférieur à celui de l’atome. Cette affirmation doit être évidemment prouvée avant de valider la théorie : le retour (mathématique) à un espace-temps à quatre dimensions est donc le grand défi que s’efforcent de vaincre les chercheurs actuels de la théorie des cordes.

Une théorie unificatrice et ses conséquences

     Une chose est en tout cas certaine : la théorie des cordes (qui est en fait l’amalgame de plusieurs théories prenant en compte des cordes de natures différentes) semble être l’entreprise conceptuelle actuellement la plus à même d’associer la gravitation à la mécanique quantique et il est donc normal que cette aventure – extraordinairement théorique – passionne non seulement les chercheurs de physique fondamentale mais également les mathématiciens… et les astronomes.

     D’ailleurs, comme le lecteur l’aura certainement remarqué, j’ai fait figurer ce sujet non pas en physique (comme la mécanique quantique, par exemple) mais dans la catégorie des sujets d’astronomie et il y a de bonnes raisons à cela : de grandes interrogations existent toujours sur des phénomènes astronomiques importants tout simplement parce qu’on ne sait pas associer mécanique quantique et relativité générale.

          *  C’est par exemple, le cas des trous noirs. Voilà des objets dont on connait l’existence et dont on peut même mettre en évidence la réalité (du moins de façon indirecte puisque, par sa seule présence, un trou noir modifie la partie d’univers qui l’entoure) mais qu’on ne sait pas expliquer complètement (voir sujet : trous noirs).

      Pour mémoire, je rappelle qu’un trou noir est le stade évolutif terminal de très grosses étoiles : en effet, si la masse d’une étoile dépasse quarante fois celle de notre Soleil (MS), son noyau résiduel dégénéré peut dépasser les trois MS. En pareil cas, les forces de répulsion des composants atomiques dégénérés (neutrons et protons) ne peuvent plus s'opposer à la compression des forces gravitationnelles et la matière s’écrase sur elle-même sans que plus rien ne s’y oppose : on aboutit alors à la formation d’un trou noir dont la principale caractéristique est qu’aucune matière – pas même la lumière – ne peut s’en échapper. Avant l’anéantissement, on peut observer le disque d’accrétion, sorte de dernier ballet de la matière appelée à disparaître et qui dessine les abords du trou noir par l’échauffement gigantesque qu’elle subit (ce qui permet de repérer le phénomène). Puis, cette matière est absorbée par le trou noir, sans espoir de retour, et le moment où elle bascule vers l’inconnu se situe à ce que l’on nomme l’horizon du trou noir, dernière ligne encore visible avant le néant. Que devient-elle ensuite ? Ni la physique quantique, ni bien sûr la relativité ne peuvent répondre. Voilà donc un domaine où la théorie des cordes pourrait nous rendre de sérieux services…

          * Un autre sujet – et non des moindres – qui passionne les astronomes, notamment ceux qui s’intéressent à la cosmologie, est le Big-Bang. Ou, pour être encore plus général, le début de notre univers. Dans le sujet dédié (voir : Big bang et origine de l’Univers), nous avions vu que, en remontant le temps jusqu’aux origines, à partir d’un certain moment appelé temps de Planck, très précisément à 10^-43 seconde après le début, les quatre forces fondamentales que nous avons évoquées plus haut sont fusionnées en une force unique, la supergravité. A cet instant, très court mais si important, les lois de la physique classique ne s’appliquent plus (ou pas encore). La théorie des cordes serait elle susceptible de nous aider à comprendre comment tout a commencé ?

     D’autres problèmes d’astronomie restent – si j’ose dire – en souffrance et on aimerait bien une théorie (en fait un ensemble de lois mathématiques conduisant à un modèle qu’il serait possible d’expérimenter par la suite) nous permettant de les expliquer…

La théorie des cordes a-t-elle un intérêt autre que… théorique ?

     La réponse est à l’évidence oui ! S’acharner à unifier des théories physiques compliquées en une théorie encore plus complexe ne relève pas d’un simple jeu mathématique pour quelques initiés, fussent-ils géniaux. Les retombées d’une telle entreprise, si elle devait aboutir, seraient considérables. Evidemment, comme on vient de le voir, ou pourrait en apprendre énormément sur notre Univers (et donc sur nous-mêmes) mais pas seulement. Il suffit de se rappeler combien la physique quantique a été décriée à ses débuts : certains scientifiques criaient à la mystification, ne pouvant comprendre comment on pouvait tirer des lois à partir du pur hasard ; d’autres riaient à la lecture de qu’ils considéraient comme un salmigondis. D’autres encore, plus sages peut-être comme le grand Einstein lui-même, préféraient attendre dans une prudente réserve teintée de scepticisme. Et pourtant ! Sans mécanique quantique, pas de contrôle de l’électron et donc ni transistors, ni informatique. Pas non plus de supraconduction et d’imagerie médicale de type résonnance magnétique nucléaire (IRM). Sans elle, on ne saurait toujours pas contrôler la lumière pour réaliser les faisceaux laser de nos lecteurs de DVD. Même chose pour les centrales nucléaires… La mécanique quantique, si mal comprise car si imprévisible et apparemment si contraire à notre logique, a transformé notre monde.

      Si l’on arrive à écrire des équations universelles de la théorie des cordes et à formaliser la théorie unificatrice, les conséquences pratiques – impossibles évidemment à imaginer aujourd’hui - en seront certainement considérables. Au-delà de la satisfaction d’avoir compris un peu plus notre univers, les transformations de notre quotidien seront telles qu’il faut souhaiter de l’intuition, beaucoup de patience et peut-être un peu de chance à ces chercheurs si particuliers.

Images

1. galaxie NGC 4945 (sources : www.eso.org)

2. constituants de l'atome (sources : abyss.uoregon.edu)

3. cordes (sources : hypersite.free.fr/)

4. univers multidimensionnel (sources : techno-science.net) 

5. dessin d'un trou noir (sources ; paturage.files.wordpress.com)

6. simulation des premiers instants de l'Univers (sources : irfu.cea.fr/)

7. homecinema (sources : le-showroom.ecranlounge.com)

  (Pour lire les légendes des illustrations, passer le pointeur de la souris dessus)

Mots-clés :  relativité générale - mécanique quantique - hadron - quark - gluon - chromodynamique quantique - trou noir - Big bang - supergravité  - temps de Planck - théorie unificatrice de la physique - théorie des cordes (compléments)

  (les mots en gris renvoient à des sites d'informations complémentaires)

Articles connexes sur le blog :

* Big bang et origine de l'Univers

* théorie de le relativité générale

* mécanique quantique

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 Mise à jour : 8 mars 2023

Pour admirer les étoiles, la recette est simple : il faut choisir une belle nuit sans Lune et sans nuages et s’installer confortablement dans un coin sombre, à l’abri des lueurs dérangeantes de la civilisation. Durant cinq à six minutes environ on laisse alors ses yeux s’habituer peu à peu à l’obscurité. De cette noirceur où flottaient difficilement quelques étoiles émergent progressivement des millions de points lumineux comme autant de diamants scintillants… Des millions ? Non, seulement quelques milliers, même pour l’œil le mieux aguerri, mais l’impression de foisonnement de ces minuscules lumières est si impressionnante que l’on se sent incroyablement petit sur notre coin de Terre.

Beaucoup d’anciens pensaient d’ailleurs qu’une sphère de velours sombre entourait notre planète en un écrin constellé de pléiades de pierres précieuses auxquelles, par leur proximité apparente, ils appliquaient des géométries compliquées en rapport avec leurs croyances d’éternité. On sait aujourd’hui que ces figures, les constellations, ne sont que des constructions imaginaires uniquement reliées par leurs luminosités relatives… Mais le bestiaire cosmique ainsi inventé est si riche que, encore de nos jours, on y fait souvent référence.

Si, au moyen d’un outil amplificateur comme, par exemple, une paire de jumelles, on tente d’explorer un par un ces astres lointains, il nous apparaît subjectivement qu’ils ne sont pas tous identiques  et que leur éclat semble variable. Et, en fait, leurs aspects sont dissemblables car, c’est vrai, les étoiles nous parlent : elles chantent et leurs mots sont en couleur.

 Des interrogations anciennes

Deux siècles avant J.C. les savants grecs se posaient déjà des questions sur la répartition des astres dans le ciel. C’est à Hipparque (vers 190 av. J.C. - 120 av. J.C.) que revint le mérite de chercher à classer les étoiles en 6 grandeurs par ordre d’éclat décroissant (étoiles de première grandeur pour les plus brillantes jusqu’à la sixième grandeur pour les moins lumineuses). Toutefois, ce classement pouvait prêter à confusion puisque se rapportant à la taille de l’étoile. On abandonna donc cette approche pour parler de magnitude apparente, des magnitudes séparées par un écart de brillance d’un échelon de 2,5. En d’autres termes, une étoile de magnitude 2 est 2,5 fois plus brillante qu’une étoile de magnitude 3 ce qui revient à dire que plus la magnitude d’une étoile est élevée, moins elle est brillante.

Ce système de magnitude apparente est trompeur car il ne correspond pas à la luminosité véritable de l’astre étudié en raison de sa distance qui est variable par rapport à la Terre : un astre peu lumineux peut, en réalité, l’être beaucoup mais c’est son éloignement qui le rend difficile à discerner. On introduisit en conséquence la notion de magnitude absolue en imaginant l’éclat de l’étoile observée si, comparée à ses sœurs, elle se trouvait à la même distance de la Terre que toutes les autres. On décida de retenir le chiffre de 10 parsecs (32,61 années-lumière) comme étalon standard de distance.

C’était assurément un progrès mais on décida de compléter le calcul avec celui de la couleur des étoiles qui donne, comme on le verra, une indication sur la chaleur de leur surface. On obtint ainsi les caractéristiques spectrales de chaque groupe d’astres, une classification encore en usage aujourd’hui, classification codifiée au début du XXème siècle par deux astronomes américains de l’observatoire d’Harvard, Antonia Maury (1866-1952) et Annie Cannon (1863-1941). Ajoutons que, pour tenir compte des différences de luminosité et de taille, les astronomes décidèrent de classer les astres selon leur éclat dans chacun des groupes identifiés.

Aujourd’hui, on sait donc plutôt bien « classer » réellement les étoiles d’après leurs caractéristiques : taille, éloignement, éclat et couleur. Mais justement pourquoi nos amies les étoiles peuvent-elles être de couleurs différentes ?

La couleur des étoiles

De la même façon que les étoiles sont de taille variable, elles ne sont pas toutes de la même couleur et cette couleur dépend de leur température et de leur âge. Au premier abord, c’est vrai, elles semblent blanches mais, comme nous le remarquions précédemment, si l’on observe plus attentivement chacune d’entre elles, on retrouve des teintes très souvent différentes : bleu, blanc, rouge, orangé, blanc-vert parfois et, d’une façon plus générale, nombre de nuances intermédiaires. Longtemps, cette disparité est restée sans explication et ce n’est qu’au début du XXème siècle qu’on a pu mieux la comprendre en définissant la physique du corps noir. Qu’est-ce qu’un corps noir, me direz vous ? Il s’agit en fait d’un objet idéal qui absorbe toute l’énergie électromagnétique sans n’en rien retransmettre : puisque la lumière est une onde électromagnétique, elle sera donc totalement absorbée par un corps noir. Considérons à présent une étoile comme un corps noir (un corps noir – c’est parfois difficile à saisir – n’est pas forcément noir mais seulement un objet qui ne réfléchit rien) : les courbes lumineuses émises par l’étoile elle-même lui sont donc propres, intégralement créées par elle. Puisque que l’on a remarqué que le spectre des étoiles était très semblable aux courbes de radiations d’un corps noir porté à différentes températures, la conclusion s’impose d’elle-même : les variations de couleur des étoiles sont la conséquence directe de leur température de surface et uniquement de cette température.

Plus une étoile sera chaude, plus elle aura un spectre important dans le bleu. A l’inverse, une étoile plus froide émettra dans le rouge et sera perçue comme telle.

Revenons un instant sur ces questions basiques d’optique physique : le spectre « continu visible » s’étend de 400 nm à 800 nm (nm signifiant nanomètre soit le milliardième du mètre). Vers 400 nm, on observe une couleur bleue (en dessous, c’est l’ultraviolet, non visible par l’œil humain mais accessible à l’œil de l’abeille) tandis que vers 800 nm on est dans la couleur rouge (et, au-delà dans l’infrarouge non visible). L’étude du spectre stellaire donnera donc une longueur d’onde dominante associée à la couleur et caractérisant la température de l’étoile étudiée. Prenons quelques exemples :

* Bételgeuse (alpha orionis) est une supergéante rouge de magnitude 1, située dans la constellation d’Orion à environ 500 années-lumière de la Terre, et accessoirement la 9^ème plus brillante étoile du ciel. Mille fois plus grosse que le Soleil, elle rayonne comme 100 000 Soleils réunis. Bien que jeune, elle est en fin de vie et explosera dans quelques milliers d’années en supernova. Son cœur s’effondre lentement, provoquant une gigantesque expansion de son rayon et donc la baisse de sa température de surface ce qui explique sa couleur rouge.

* Rigel (beta orionis) est une supergéante bleue qui fait également partie de la constellation d’Orion et est située à plus de 900 années-lumière de la Terre (ce qui, au passage, démontre l’absurdité de la notion de constellation). Septième étoile la plus brillante du ciel, elle est bien plus petite que Bételgeuse (84 fois la taille du Soleil) ce qui explique sa chaleur de surface notoirement plus élevée et donc sa belle couleur bleue. Pour l’anecdote, remarquons que cette supergéante fait partie d’un système ternaire puisque deux autres étoiles, Rigel B et Rigel C, gravitent avec elle en un système compliqué. Elle aussi a une espérance de vie courte et explosera probablement en un trou noir.

* le Soleil : la dominante spectrale de notre Soleil se situe vers 500 nm et donc dans le vert. Toutefois, l’ensemble de son spectre lui confère une couleur blanche (tirant légèrement sur le vert) qu’on lui connait… en dehors de la Terre ! En effet, depuis notre planète, bien que sa lumière soit blanche, en raison de la plus grande diffusion du bleu (d'une longueur d'onde de 400 nm) dans l'atmosphère que du rouge (longueur d'onde 800 nm), il apparaîtra jaune (et le ciel bleu).

Les astronomes se sont donc retrouvés face à un véritable kaléidoscope de couleurs et, dès le XXème siècle, ils ont cherché à y mettre un peu d'ordre. Première méthode logique retenue : classer les étoiles selon les éléments chimiques identifiés à leurs surfaces. Ils ont ainsi répertorié sept groupes distincts qu'ils ont ensuite décliné en ordre décroissant de température et désigné par les lettres O, B, A, F, G, K et M. Difficile de s'en rappeler ? Les scientifiques américains ont proposé l'amusant petit moyen mnémotechnique suivant : " Oh Be A Fine Girl, Kiss Me ! "...

De ce fait, une étoile comme Lambda d'Orion, une géante bleue dont la température de surface atteint les 35 000°, est classée dans le groupe O tandis que le Soleil (naine jaune à la température de surface égale à 5 000°) est de classe G et les étoiles rouges comme Antarès (3 600°) sont rassemblées dans le groupe M.

Toutefois - rien n'est jamais simple - tout cela était encore un peu imprécis et, du coup, chaque groupe a été subdivisé en 9 sous-groupes de telle façon que le Soleil est en fait une étoile classée de type G2 (plus froide qu'une G1 mais plus chaude qu'une G3)... Comme on va le voir, cette classification, certes pratique, n'est pas la seule.

Le fait de connaître la couleur (et donc la chaleur) d’une étoile corrélée à sa taille permet de connaître sa durée de vie, le stade où elle se trouve et, bien sûr, la manière dont elle mourra.

La vie des étoiles

On peut également classer les étoiles selon les différents stades de leurs existences. Dans un sujet précédent (voir : mort d'une étoile), j’avais décrit les différents types d’étoiles et leur avenir : en voici les principales lignes (pour plus de détails, on se reportera au texte indiqué).

* les étoiles peuvent être (sommairement) classées de la façon suivante :

a. les naines rouges, soit environ 80% des étoiles : elles sont relativement petites (moins de 0,8 masse solaire) et d’une grande longévité ; si grande même que, depuis le Big bang elles n’ont pas encore eu le temps de mourir. Leur chaleur est faible ce qui explique leur couleur. A titre d’exemple, Proxima du Centaure, notre plus proche voisine, est l’une de ces naines rouges.

b. les naines jaunes (10% des étoiles) : plus chaudes que les précédentes, leur masse est comprise entre une et huit masses solaires et c’est typiquement le cas de notre Soleil. Leur espérance de vie est encore respectable, environ 10 milliards d’années. Lorsque tout leur carburant nucléaire sera épuisé, elles se transformeront en

c. géantes rouges : la dilatation considérable à ce stade des couches externes de l’étoile combinée à l’effondrement de son cœur explique la couleur rouge de l’enveloppe stellaire, plus froide car à distance du centre.  Le stade ultime de l’évolution de ce type d’étoile, lorsque que ne restera plus que son cœur nu (l’enveloppe s’étant dispersée dans l’espace) est celui d’une…

d. …naine blanche : de la taille d’une planète, cet astre est composé de manière dégénérée hyperdense, incapable d’entretenir la moindre réaction thermonucléaire. Il s’agit donc déjà d’un cadavre d’étoile qui va progressivement s’éteindre au fil de millions d’années pour devenir une

e. naine noire : ces restes d’étoiles sont probablement nombreux dans l’univers mais, par définition, ils ne sont pas visibles.

f. les supergéantes bleues sont des étoiles jeunes massives (plus de 10 masses solaires) et extraordinairement lumineuses. Compte tenu de leur taille, leur espérance de vie est courte ; elles finissent par épuiser rapidement leur carburant nucléaire pour devenir des

g. supergéantes rouges (toujours par le même mécanisme d’expansion qui refroidit leurs couches externes) et explosent en supernovas (voir le sujet novas et supernovas), voire même en trous noirs (voir le sujet trous noirs) pour les plus massives d’entre elles Elles ne représentent que quelques pourcents de l’ensemble.

On peut donc réunir ces différentes populations d’étoiles dans un diagramme spécifique (diagramme HR) bien qu’il soit parfois difficile de déterminer précisément les caractéristiques de chacune, ne serait-ce que parce que les observations sont rendues malaisées lorsqu’existent des systèmes multiples d’étoiles (environ 50% des cas).

* Le diagramme HR dit de Hertzsprung-Russel permet de corréler luminosité et chaleur des étoiles et donc de définir leurs différentes populations et établir ainsi l’évolution stellaire. On peut alors constater que la majorité des étoiles se situe sur une ligne du diagramme appelée séquence principale où ces astres passeront la plus grande partie de leur vie tandis que ne s’en échappent que les atypiques comme les supergéantes ou ceux qui sont en fin de vie.

Evolution stellaire

Les étoiles, comme toutes choses en ce bas monde, ont une évolution – on pourrait dire une vie – parfaitement prévisible. Leur aspect renseigne ceux qui se donnent la peine de les observer. Leurs mots sont en couleur, disais-je en préambule, et ces mots nous expliquent l’univers dans lequel nous vivons. Ils nous font notamment comprendre combien le Soleil, qui est une étoile bien banale mais si particulière pour nous, est important puisqu’il autorise la vie – notre vie - sur cette planète.

Images :

 1. l'amas ouvert NGC 3603 (sources : philippe.boeuf.pagesperso-orange.fr )

2. Hipparque (sources : www.dimensions-math.org)

3. Aldébaran et Sirius (sources : www.webastro.net) 

4. Bételgeuse et Rigel (sources : www.webastro.net) 

5. la Croix du Sud (sources : http://antwrp.gsfc.nasa.gov )

6. Beta Cephi, une binaire bleue (sources : http://a.gerard4.free.fr)

7. diagramme de Hertzsprung-Russell (sources : http://fr.wikipedia.org)

  (Pour lire les légendes des illustrations, passer le pointeur de la souris dessus)

Brêve : la couleur des étoiles

     Dans l'hémisphère boréal, les nuits de juin sont les plus courtes. Le Soleil rasant l'horizon nord, le crépuscule s'étend dans la soirée, et les étoiles se font attendre...

     Les plus brillantes, Arcturus du Bouvier, l'Epi de la Vierge et Véga de la Lyre, apparaissent entre 22h30 et 23 heures. C'est entre chien et loup, lorsque le bleu du ciel s'assombrit, qu'il est le plus facile d'observer la couleur des étoiles. A l'oeil nu, Véga apparaît d'un blanc éclatant, Arcturus franchement orangée et l'Epi légérement bleuté. Si leur couleur diffère, c'est parce que leur surface de gaz n'est pas porté à la même température : de 4600°C pour Arcturus, la plus froide, donc la plus rouge, à 20000°C pour l'Epi.

(Science & Vie, n° 1125, juin 2011, p. 149)

Mots-clés : Hipparque - magnitude - corps noir - Bételgeuse - Rigel - naine rouge - naine jaune - géante rouge - naine blanche - naine noire - supernova - trou noir - supergéante rouge - supergéante bleue - digramme de Hertzsprung-Russell

(les mots en gris renvoient à des sites d'informations complémentaires)

Articles connexes sur le blog :

* mort d'une étoile

* la mort du système solaire

* céphéides

* novas et supernovas

* le mystère Bételgeuse

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 Mise à jour : 5 mars 2023

     Situé en périphérie de la Voie lactée qui est une galaxie parmi des milliards d’autres, notre Soleil est une étoile banale de type G2, autrement dit une naine jaune. De telles étoiles représentent environ 10% de toutes celles de l’Univers et leur durée de vie est assez longue, environ 10 milliards d’années. Le Soleil est donc à peu près à la moitié de sa vie puisqu’il existe depuis environ 4,5 milliards d’années ce qui explique, au passage, qu’il se trouve sur la branche principale du diagramme de Hertzsprung-Russell (voir le sujet : mort d’une étoile). Mais comment s’est-il créé (et avec lui son cortège de planètes) ? C’est une question posée depuis la plus haute antiquité et qui, comme on l’imagine, a entraîné de multiples réponses… plus ou moins crédibles !

 Dans le passé

Longtemps traité de façon plutôt romanesque et presque toujours anthropocentrique (voir le sujet : la Terre centre du Monde), il faudra attendre la publication par Isaac Newton (1643-1727) de ses lois sur la gravitation universelle pour s’intéresser de façon plus convaincante au système solaire. Et encore : durant de nombreuses années par la suite, les polémiques furent âpres pour s’affranchir des préjugés et raisonner de façon plus scientifique…

C’est Emmanuel Kant (1724-1804), le célèbre philosophe allemand, qui, le premier, avança une théorie relativement moderne. Son idée centrale était que les débuts du système solaire se firent sous la forme d’un nuage de particules qui, régies par l’attraction gravitationnelle, finirent par s’agréger progressivement pour former des masses de plus en plus grosses aboutissant en fin de compte au Soleil et aux planètes que nous connaissons. Puisqu’il n’était ni physicien et encore moins mathématicien, il ne pouvait apporter d’explication sur le fait que les planètes – toutes situées dans un même plan – tournaient dans une même direction autour du Soleil. Il restait également muet sur les satellites de ces mêmes planètes.

Une quarantaine d’années plus tard le mathématicien français Laplace (1749-1827) apporta quelques approfondissements en imaginant que le Soleil, se refroidissant en rayonnant sa chaleur, avait fini par se contracter. Or, selon la loi de conservation du moment angulaire, cette contraction avait forcément dû s’accompagner d’une augmentation de sa vélocité, à la façon d’un patineur qui replie ses bras pour tourner plus vite sur lui-même. De ce fait, selon Laplace, cette accélération entraîna l’éjection de matière contrebalancée par les forces d’attraction gravitationnelle (avec la formation successive de plusieurs anneaux concentriques suivant la rétraction du Soleil naissant) et c’est à l’exacte distance où ces deux forces s’équilibraient que les planètes furent créées.  Il répondait ainsi au sens de rotation des planètes dans un même plan… mais pas aux déplacements excentriques des astéroïdes ni aux orbites rétrogrades de certains lunes.

Durant près de cent ans, cette théorie dite « de la nébuleuse solaire » de Kant-Laplace parut satisfaire les scientifiques mais au début du XXème siècle, elle fut finalement jugée insuffisante.

Conception classique

James Clerk Maxwell (1831-1879), physicien écossais de grand renom, fut le premier à critiquer la théorie de Kant-Laplace en démontrant que les planètes n’auraient pas pu être créées de cette façon en raison des forces de rotation différentielle qui l’auraient empêché. De plus, le mouvement angulaire du Soleil paraissait trop faible pour être en accord avec la théorie. On évoqua alors la présence d’une étoile voisine qui aurait attiré de grandes masses de matière (les planètes) en dehors de notre étoile par un « effet de marée » (théorie de la « quasi-collision ») mais cette hypothèse montrait également ses limites…

La théorie de la formation du système solaire fut donc repensée et affinée : on retint la notion de disque d’accrétion avec une matière se condensant progressivement pour donner le soleil, masse centrale suffisamment importante pour provoquer un « allumage nucléaire », et, à sa périphérie, des planétoïdes devenus secondairement de vraies planètes. Ces dernières se divisent en deux groupes :

*  les planètes telluriques (comme la Terre) attirant préférentiellement les matières rocheuses et proches du Soleil

* tandis que, plus éloignées, les planètes gazeuses se composent de gaz légers (hélium, hydrogène, etc.), le Soleil n’ayant pas pu les assimiler en raison de leur trop grande distance. La théorie précise même que si la quantité de gaz avait été plus importante, une autre étoile aurait pu voir le jour transformant le système solaire en un système binaire comme il en existe tant dans l’Univers (environ 50%).

Les planètes se sont évidemment transformées avec le temps mais pas les astéroïdes, circulant entre les orbites de Mars et Jupiter, qui demeurent des fragments de matière inchangés depuis la naissance du système d’où leur prodigieux intérêt scientifique.

Malheureusement, depuis quelques années, l’observation de planètes extrasolaires (voir le sujet : planètes extrasolaires) a permis la mise en évidence de planètes géantes gazeuses très proches de leurs étoiles. La théorie classique ne sait pas répondre à ce fait d’observation…

Plus récemment

Nous venons d’évoquer les météorites témoins de l’origine : c’est au sein de certains d’entre eux qu’a été mise en évidence, dans les années 70, la présence de magnésium 26. Or cet élément provient de l’aluminium 26, son précurseur, dont on sait que la demi-vie est plutôt courte, environ 700 000 ans. Comment cet élément a-t-il pu se trouver au début du système solaire quand on sait que le Soleil naissant avait une masse insuffisante pour le produire ? D’une provenance extérieure, bien sûr, avancèrent certains astronomes. Ils évoquèrent donc une supernova ayant explosé à proximité du nuage protosolaire au moment où ce dernier commençait à se condenser. Mais, à l’analyse, le scénario ne tient pas : en effet, en pareil cas, il aurait fallu que cette supernova explose très près (environ une année-lumière) et, dans ce cas, le nuage présolaire en formation aurait été dispersé par le rayonnement ultraviolet intense de l’étoile… Retour à la case départ.

Récemment, un astronome français, Vincent Tatischeff, a proposé une solution élégante en évoquant le rôle possible d’une « étoile vagabonde ». Nous avons déjà évoqué, dans un sujet précédent (voir le sujet : étoiles doubles et système multiples), ces étoiles fugueuses (ou étoiles en fuite) que les anglo-saxons appellent des runaway stars. Il s’agit d’étoiles qui ont été « éjectées » de leur orbite naturelle par la présence d’un troisième corps excitateur ou lors de la confrontation brutale entre une étoile à neutrons et sa compagne. Quelle qu’en soit la cause, l’étoile devenue vagabonde est expulsée à grande vitesse dans le vide interstellaire. Après quelques millions d’années d’une course violente, elle devient souvent ce que l’on appelle une étoile de type Wolf-Rayet qui éjecte de grandes quantités de matière dans l’espace (notamment l’aluminium 26 évoqué plus haut) avant d’exploser en supernova. Une telle étoile aurait pu « ensemencer » le nuage en formation du système solaire avant d’aller mourir plus loin. Cette fois, le scénario semble plus convaincant mais il y a tout de même un hic : la survenue d’une telle éventualité est très rare. Pas impossible mais très rare. Dès lors, pourquoi faudrait-il que, parmi des milliards d’étoiles créées (et qui continuent à l’être), seul (ou presque) notre Soleil ait subi une telle origine ? Les scientifiques, on le sait, n’aiment guère expliquer des phénomènes somme toute banals, par une succession d’événements plutôt improbables…

une explication encore plus convaincante 

     Plus récemment encore, en 2012, une explication plus complète a été avancée par Matthieu Gounelle (Museum national d'histoire naturelle). Ce cosmologiste nous décrit une histoire qui prend enfin en compte les anomalies observées dans les analyses chimiques des météorites, ces témoins de la naissance de notre système solaire, notamment l'abondance anormale de magnésium 26 citée plus haut. Pour ce scientifique, l'histoire de la formation du Soleil peut se résumer en quatre phases :

     1. il y a environ 4,6 milliards d'années, un immense nuage de gaz et de poussières s'effondre sous l'effet de la gravitation. Au centre de ce gigantesque tourbillon naissent plusieurs milliers d'étoiles;

     2. parmi ces étoiles, certaines sont massives et donc de courte durée de vie (quelques millions d'années) : ce sont elles qui ensemmencent l'espace avec des élements radioactifs, notamment du fer 60 dont la présence n'avait jusque là été prise en compte par aucun scénario;

     3. une deuxième génération d'étoiles apparaît alors, répandant autour d'elles ce fameux aluminium 26 à la présence si surprenante.

     4. autour d'une étoile massive de cette deuxième génération, une enveloppe de fer 60 et d'aluminium 26 se forme et finit par s'effondrer sur elle-même donnant naissance à une troisème génération d'une centaine d'étoiles parmi lesquelles notre Soleil. Le temps passant, après plusieurs millions d'années, l'étoile massive proche du Soleil disparaît dans une explosion gigantesque tandis que les "soeurs" de notre étoile se dispersent progressivement. Notre Soleil reste seul avec son cortège d'astéroïdes qui portent encore les traces de sa création sous la forme des dérivés radioactifs qu'on vient d'évoquer.

      Dès lors, dans un tel scénario, les "anomalies" radioactives s'expliquent sans que l'on ait recours à l'étoile fugitive évoquée plus haut dans le sujet et dont la présence résultait d'une coincidence un peu trop facile...

         Cette explication est-elle définitive ? L'avenir nous le dira sans doute mais elle a le mérite d'être complète.

     On comprend donc que si la formation de notre système solaire commence à être relativement comprise, il reste encore bien des incertitudes. L’arrivée d’instruments d’observation (spatiaux et terrestres) toujours plus performants dans les toutes prochaines années devrait nous renseigner davantage : l’observation encore débutante des planètes extrasolaires de même que celle des pépinières d’étoiles nous apporteront vraisemblablement bien des éléments qui manquent encore. En effet, s’il est une chose dont on est sûr, c’est que les mêmes phénomènes se répètent selon des lois physiques immuables. Dès lors, il suffit d’observer le ciel plus ou moins lointain pour comprendre ce qui s’est passé chez nous dans le passé.

Images

1. le disque protosolaire (sources : http://www.open.ac.uk)

2. formation des planètes (sources : http://astrosurf.com/)

3. rétraction progressive du Soleil (sources : http://users.skynet.be)

4. disque d'accrétion protosolaire (sources : http://i14.servimg.com)

5. la nébuleuse du Crabe (sources :  techno-science.net)

6. étoile de type Wolf-Rayet (sources : www.infosphere.be)

  (Pour lire les légendes des illustrations, passer le pointeur de la souris dessus)

Mots-clés : naine jaune - diagramme de Hertzsprung-Russel - Isaac Newton - Emmanuel Kant - gravitation - Laplace - moment angulaire - astéroïdes - James Clerk Maxwell - disque d'accrétion - planète tellurique - planète gazeuse - système binaire (d'étoiles) - planètes extrasolaires - supernova - étoiles fugueuses/ réf. en français (run away stars/réf. en anglais) - étoile de Wolf-Rayet

(les mots en gris renvoient à des sites d'informations complémentaires)

Sujets apparentés sur le blog :

 1. place du Soleil dans la Galaxie

 2. la Terre, centre du Monde

 3. la querelle sur l'âge de la Terre

 4. planètes extrasolaires

 5. l'énigme de la formation de la Lune

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 Mise à jour : 6 mars 2023

Le 24 avril 1990, un événement considérable bouleversa le monde jusque là fermé de l’astronomie : le lancement du télescope Hubble. On fête ces jours-ci les vingt ans de cet anniversaire, célébrant ainsi une date à partir de laquelle l’étude du ciel n’aura plus été la même tant le télescope spatial nous aura apporté de connaissances nouvelles et de photos extraordinaires. Avec lui, au-delà même des acquis scientifiques, l’astronomie est entrée de plein pied dans le domaine du grand public… Ce nom, Hubble, à présent connu de tous, lui a été donné en mémoire d’un des plus grands astronomes que le monde ait connu, un de ceux dont on peut réellement dire qu’il a fait avancer la pensée scientifique. Mais qui était donc Edwin Hubble ?

  les premières années

Edwin Powell Hubble vit le jour le 20 novembre 1889, troisième d’une lignée de sept, dans une petite ville de quelques milliers d’habitants, Marshfield dans le Missouri. Son père, un homme rigide et assez conservateur, était agent d’assurances tandis que, à la maison, sa mère s’occupait d’élever ses nombreux enfants. La famille étant plutôt aisée, la première partie de l’enfance d’Edwin se déroula paisiblement. En 1898, toutefois, un événement important perturba sa vie : son père fut nommé à Chicago et toute la famille émigra pour la grande ville, ou plutôt sa banlieue.

Au fur et à mesure que le temps passait, le jeune Edwin apprit à se distinguer. Selon les quelques témoignages de l’époque que nous avons de lui, c’était un grand et beau jeune homme dont la scolarité, sans être exceptionnelle, était très satisfaisante mais qui excellait surtout en sport, notamment au basket et à la gymnastique (le saut en hauteur était sa discipline de prédilection). Il avait également passé une grande partie de son adolescence à dévorer des livres d’aventures, notamment ceux de Jules Verne (20 000 lieues sous les mers, de la Terre à la Lune, etc.) ce qui l’avait conduit à se passionner pour l’astronomie. A l’université de Chicago, il entreprit donc un parcours en mathématique et en astronomie mais continuait toujours à exceller en sport. Toutefois, voulant se consacrer au football américain, il reçut une fin de non recevoir de son père qui trouvait ce sport trop violent et il se dirigea… vers la boxe où il acquit une certaine réputation (la légende affirme même qu’il affronta Marcel Cerdan).

En 1910, à 21 ans, il obtient une bourse afin de poursuivre ses études à Oxford et s’embarque pour l’Angleterre qui deviendra sa deuxième patrie. Il est en effet subjugué par les traditions et la façon de vivre des habitants du vieux pays et cherche à se transformer en « parfait gentleman », allant jusqu’à simuler un soupçon d’accent anglais. Durant les quelques années qu’il passera sur le vieux continent, il apprend le droit et continue d’exceller en sport. C’est à cette époque qu’il commence à fumer la pipe, un accessoire qui deviendra indissociable de son image au point qu’il l’arborera toute sa vie bien qu’étant devenu non-fumeur. Son père étant mort en 1913, il revient en Amérique pour rejoindre sa famille à présent installée à Louisville (Kentucky) et, tout en cherchant à exercer le droit, se trouve un travail de professeur d’espagnol et de physique. Tout aurait pu en rester là pour lui mais, bientôt, son existence change à nouveau car, convié à une réunion de la Société Américaine d’Astronomie, il y retrouve ses premières amours.

A l’époque, un des grands débats de la discipline concernait la nature des nébuleuses, ces sortes de taches plus ou moins pâles dont certaines arboraient des bras spiraux. Selon les théories en vigueur, elles ne pouvaient être que intragalactiques puisqu’on pensait qu’il n’existait qu’une seule et unique galaxie, la Voie lactée, qui renfermait toute la matière visible. Pourtant, des études discordantes avaient déjà été menées qui concluaient au rapprochement de la galaxie d’Andromède (décalage vers le bleu de son spectre) tandis que la plupart des autres avaient un spectre décalé vers le rouge (et donc s’éloignant de nous).

l'appel de l’astronomie

Hubble passe son doctorat d’astronomie à l’université de Chicago en 1917. A cette époque, bien sûr, la guerre fait rage en Europe et il est mobilisé… mais trop tard pour participer effectivement aux combats. Il en profite pour faire une sorte de tour d’Europe durant deux ans, entrant en contact avec la majorité des astronomes de différents pays auxquels il fit d’ailleurs assez bonne impression. Ce n’est qu’en 1919 qu’il rentre aux USA et obtient d’emblée de se faire affecter à l’observatoire du Mont Wilson qui possédait le plus grand télescope du moment.

une découverte immense et ses conséquences

      les premières années au mont Wilson

Lorsque Edwin Hubble intègre son nouveau poste, un homme règne en maître sur l’observatoire du Mont Wilson : Harlow Shapley (1885-1972), une autorité indiscutable en astronomie. C’est surtout un des principaux théoriciens de la grande galaxie, c'est-à-dire de l’idée selon laquelle il n’existe qu’une seule galaxie – dans laquelle nous nous trouvons – et en dehors de laquelle il n’existe rien. Comme nous l’avons déjà vu dans un sujet précédent (voir le sujet : les galaxies), depuis Emmanuel Kant, certains prétendaient qu’il pouvait exister des univers-îles situés au-delà de la Voie lactée, très loin dans le cosmos, comme des répliques de notre propre galaxie. Malheureusement pour eux, ils n’ont aucun moyen de prouver leurs affirmations et on en reste à la théorie de Shapley. Hubble, lui, ne semble pas avoir de position tranchée sur la question.

En 1921, Shapley quitte le mont Wilson en laissant le champ libre à Hubble.  Ce dernier poursuit un long travail sur la classification, d’après leurs formes, des « nébuleuses » mais il s’intéresse aussi à celle dont on ne sait pas encore qu’elle est notre plus proche voisine : la grande galaxie d’Andromède M31. C’est un objet particulièrement intéressant car on peut y trouver de nombreuses novae (dont on ne connait pas encore la nature exacte) or Hubble pense qu’il pourra peut-être en calculer la distance. C’est en effectuant ce travail de fourmi qu’il repère un petit point brillant qu’il finit par identifier : une céphéide.

      céphéides et détermination des distances extragalactiques

Les céphéides sont des étoiles variables dont les différences de luminosité sont régulières et prévisibles (voir le sujet céphéides). Leurs caractéristiques ont été découvertes par la remarquable astronome que fut Henrietta Leavitt (1868-1921), trop longtemps et injustement oubliée (elle aurait certainement mérité un prix Nobel qu’elle n’aura jamais). Observant ce type d’étoiles variables dans le petit nuage de Magellan (galaxie naine satellite de la Voie lactée), Leavitt avait en effet remarqué que leur brillance est en rapport avec la durée de leur période de variation et, établissant une relation entre ces deux caractéristiques, elle arriva à en déduire leur éloignement. A l’époque de Hubble, la confirmation expérimentale de cette relation remonte déjà à plusieurs années (1916) et elle est due à… Harlow Shapley !  Edwin Hubble n’a plus qu’à faire ses calculs qui sont indiscutables : Andromède est située d’après lui à 900 000 années-lumière, c'est-à-dire bien trop loin pour faire partie de notre galaxie (on sait aujourd’hui qu’elle est en réalité à environ 2,5 millions d’années-lumière de nous). Dans la foulée, il observe les céphéides d’autres nébuleuses (M33, NGC 6822, etc.) et démontre leur position extragalactique. Il présente ses conclusions au congrès de la Société Américaine d’Astronomie en 1925. Face à ce qu’il faut bien appeler des preuves sans appel, Shapley reconnait son erreur et propose de débaptiser ces « nébuleuses » en « galaxies » un terme que, curieusement, Hubble n’utilisera jamais.

      l’univers en expansion

A ce moment de la vie de Hubble, il existe plusieurs certitudes :

1.    Les tâches floues appelées jusqu’alors nébuleuses sont en fait des galaxies comme la nôtre et certaines sont situées très loin dans l’espace ;

2.   Quelques unes de ces galaxies, à l’instar d’Andromède, se rapprochent de la Voie lactée (décalage spectral vers le bleu) mais la plupart s’en éloignent (décalage - Redshift en anglais - vers le rouge) ;

3.   Einstein a publié en 1917 sa théorie de la relativité générale (voir le sujet : théorie de la relativité générale) dans laquelle, pour contrebalancer les forces gravitationnelles d’attraction existant entre les objets cosmiques, il a introduit une force répulsive afin que son « univers » reste stationnaire. Toutefois, de nombreux scientifiques n’ont pas été convaincus par cet « artifice » de calcul et, reprenant les équations einsteiniennes, en sont arrivés à la conclusion que l’Univers ne peut être qu’en expansion (entre autres, Willem de Sitter, Alexander Friedmann et l’abbé mathématicien belge, Georges Lemaître, père de la théorie du Big bang).

Edwin Hubble travaille d’arrache-pied sur la question et, en 1929, il présente un article qui fera date : « Sur la relation entre la distance et la vitesse radiale de nébuleuses extragalactiques », article dans lequel il introduit une équation reliant vitesse et éloignement des galaxies où une constante H (dite constante de Hubble) lie les deux parties. Il estime cette constante à environ 500 km/sec et par mégaparsec (unité pratique en astronomie, le parsec vaut 3,2616 années-lumière et le mégaparsec un million de fois plus); on sait aujourd’hui que cette valeur est d’à  peu près 70 km/s/Mpc mais peu importe : Hubble a été le premier à démontrer l’expansion de l’Univers, une découverte majeure pour l’astronomie et la cosmologie scientifique puisque, au-delà de l’expansion elle-même, c’est elle qui a permis de définir l’âge de l’Univers.

 les années de gloire

Bien que continuant à travailler avec acharnement sur la classification des galaxies (une classification toujours en vigueur aujourd’hui), Hubble, souvent en compagnie de son ami Einstein, gloire de l’époque s’il en fut, fuit le monde des scientifiques. Il préfère les Arts et Spectacles, lie nombre d’amitiés dans le monde du cinéma d’Hollywood, rencontre Aldous Huxley qui deviendra son grand ami, fréquente les milieux dirigeants de la presse (Randolph Hearst), de la musique… En somme, il devient ce que l’on nomme aujourd’hui de l’atroce mot de « people ». Le corollaire de cet engagement est qu’il ne fréquente plus guère les conférences et colloques scientifiques, a plutôt tendance à snober les autres astronomes (que le lui rendront bien) et ne cherche pas du tout les promotions administratives.

Il ne faudrait pas croire pour autant qu’il a abandonné ses observations qu’il continue avec acharnement mais le télescope du mont Wilson devient pour lui un peu étroit et, comme toute une génération d’astronomes, il attend avec impatience la mise en service du télescope géant (pour l’époque) du mont Palomar.

  les années du crépuscule

La deuxième guerre mondiale venant de s’achever, il postule pour devenir le directeur de l’observatoire du mont Wilson mais on le lui refuse au motif qu’il est plus préoccupé par son activité auprès des gloires d’Hollywood que par l’astronomie. C’est totalement injuste car il a toujours continué de pratiquer avec brio la discipline mais on lui fait probablement payer là une supposée indifférence – voire une certaine arrogance disent d'autres – vis-à-vis du petit monde des scientifiques.

Le télescope du mont Palomar est mis en service en 1948 et, tout naturellement, compte tenu de sa contribution passée à l’avancée de la discipline, il demande une part importante du temps d’observation : le comité d’attribution refuse son programme jugé passéiste…

Edwin Powell Hubble meurt d’un infarctus du myocarde le 28 septembre 1953 à l’âge de 64 ans. Sa veuve refusa d’organiser un service funèbre et nul ne sait ce qu’il advint de sa dépouille.

  au Panthéon des scientifiques

Lorsqu’on se penche sur l’histoire des Sciences, on se rend compte que, la plupart du temps, les avancées sont lentes, parfois même laborieuses. Ce sont le plus souvent les efforts d’équipes multidisciplinaires qui permettent des découvertes véritables. Parce que la Science est toujours une remise en cause permanente des acquis au fur et à mesure du progrès des techniques et des idées mais également parce que la nouveauté repose sur le monde immense des pensées précédentes.

Toutefois, il existe de temps à autre de grands noms qui ne doivent (presque) rien à personne, de grands noms dont les contributions majeures arrivent à changer le cours des choses. Darwin fut certainement un des plus grands noms de la biologie parce qu’il inaugura une manière nouvelle d’appréhender la Vie, à contre-courant des préjugés de son époque. Einstein repensa littéralement la physique au point que, après lui, elle ne fut plus jamais la même. Rutherford contribua fortement à comprendre les mécanismes restés longtemps ignorés de la radioactivité, etc. Edwin Hubble fut, dans le domaine de l’astronomie un de ces hommes là et ce n’est que justice que l’on ait donné son nom au télescope spatial qui restera pour longtemps un des outils les plus remarquables que les hommes aient jamais construit.

Sources :

Ciel et Espace, HS n°14, avril 2010 (www.cieletespace.fr ) ;

https://edwinhubble.com ;

https://space.about.com ;

Images

1. Edwin Hubble (sources : www.pnas.org)

2. l'université d'Oxford (sources : www.pays-monde.fr)

3. l'observatoire du Mont Wilson (sources : www.astronomique.com)

4. la galaxie du Triangle M33 (sources : astro2009.futura-sciences.com)

5. redshift et constante de Hubble (sources : www.astropolis.fr)

6. télescope du Mont Palomar (sources : astro2009.futura-sciences.com) 

(Pour lire les légendes des illustrations, passer le pointeur de la souris dessus)

Mots-clés : télescope spatial Hubble -  observatoire du Mont Wilson - Harlow Shapley - céphéides - Henrietta Leavitt - constante de Hubble - observatoire du Mont Palomar

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 Mise à jour : 7 mars 2023

Dans mon dernier sujet d’astronomie, j’évoquais l’apparition des premières galaxies et les interrogations que suscite leur création (voir sujet : les premières galaxies ) ; il y était question de courants « froids », nouvelle théorie qui venait s’opposer à celle, classique, selon laquelle ce sont des courants de gaz bien plus chauds qui seraient à l’origine des premières concentrations d’étoiles (voir sujet : le Big bang et le début de l’Univers ) ; dans les deux cas, on aboutissait à la formation de ces premières galaxies par la condensation d’immenses filaments de gaz.

Preuve que l’astronomie – ou plutôt ici la cosmologie scientifique – est en pleine effervescence, voici qu’interviennent à présent de nouveaux personnages : les quasars, objets les plus brillants de l’Univers, d’autant plus brillants qu’on regarde loin, c’est-à-dire dans le passé, et supposés traduire la présence de gigantesques trous noirs galactiques. On finit par s’y perdre : est-il envisageable de comprendre ce qu’il s’est passé lors des tout premiers moments de l’Univers ?

Les acteurs en présence

·         Le Big bang

Sans revenir sur les détails (déjà longuement évoqués) de la théorie, rappelons seulement qu’il aura fallu environ 300 000 ans pour que le monde devienne transparent et que les atomes de la matière puissent se créer et se stabiliser. Avant, il n’y avait qu’un magma initial incommensurablement chaud et c’est en refroidissant que ce magma a donc permis l’apparition de la lumière et de la matière que nous connaissons. De ce moment bien précis, il reste le rayonnement fossile (ou cosmologique, voir le sujet : fonds diffus cosmologique), encore perceptible dans toutes les directions célestes. Ensuite, la matière s’est condensée pour former les premières étoiles.

·         Les filaments cosmiques

La répartition des galaxies dans l’Univers n’est pas homogène : celles-ci se distribuent le long de filaments "cosmiques", créés juste après le Big bang et séparés par d’immenses étendues de vide, un peu comme les limites de bulles gigantesques placées côte à côte. La condensation des gaz par l’effet des forces gravitationnelles aurait permis la création le long de ces filaments des premières galaxies dont on comprend dès lors la répartition spéciale.

·         Les quasars

Lorsqu’on observe les galaxies, le plus souvent on trouve en leurs centres des objets très lumineux, les quasars (ou quasi-stellar radio-sources). Il est même arrivé que ces objets extraordinaires aient pu être confondus avec de véritables étoiles car leur intense lumière éclipsait celle des étoiles de la galaxie au sein de laquelle ils siègent (un article presque entier leur a déjà été consacré). Il aura fallu bien des observations et des controverses pour qu’on soit pratiquement certains aujourd’hui que ces quasars sont les signes indirects de trous noirs galactiques. Il faut par ailleurs noter que, plus on regarde loin dans le passé, plus ces quasars sont lumineux.

·         Les trous noirs

Il existe différentes variétés de trous noirs mais ceux qui nous intéressent aujourd’hui sont les trous noirs galactiques, c'est-à-dire ceux siégeant au centre d’une galaxie (chaque galaxie – y compris la nôtre – est supposée en posséder un). Dans les premiers temps, ces trous noirs (dont, rappelons-le, rien ne peut s’échapper, pas même la lumière) avaient beaucoup d’étoiles à leur portée et donc une activité intense : ils ont, bien sûr, grossi mais autour d’eux s’est progressivement créé un espace vidé de ses étoiles d’où leur baisse de vitalité. Comme leur activité est visible indirectement sous la forme de quasars, on comprend que ces derniers aient été bien plus lumineux et gigantesques par le passé et que, dans la plupart des galaxies proches, on ne mette plus en évidence que des « miniquasars ».

Jusqu’aux environs des années 2000, il n’y avait guère de suspense : les galaxies s’étaient créées par densification et accrétion des nuages de gaz, sous l’effet de la gravité, le long des filaments cosmiques. Une observation plus fine devait donc permettre de trouver dans le ciel lointain - celui des débuts - de petites galaxies devenant de plus en plus massives au fur et à mesure de leur vieillissement. On a donc demandé au télescope Hubble de nous confirmer tout ça… et c’est alors que la surprise a été de taille.

Les nouvelles observations de Hubble

On ne dira jamais assez tout l’intérêt scientifique qu’aura représenté (et représente encore dans l’attente de son successeur) le télescope spatial Hubble. Pour la première fois de son histoire, grâce à lui, l’Humanité a pu s’affranchir de sa planète et de son atmosphère quasi-oblitérante pour des observations visuelles de longue durée, incomparables en finesse et en pureté (dans d’autres domaines, notamment dans le non visuel, les observatoires terrestres internationaux du Chili sont également très performants). Un des domaines de prédilection du télescope Hubble est le ciel lointain, autrement dit le champ extragalactique, et, là, le moins que l’on puisse affirmer, c’est que les résultats de ses observations ont jeté un certain doute sur les théories alors en vigueur.

·         Des galaxies au plus loin de ce que l’on observe

Avant Hubble, on pensait qu’il avait fallu un certain temps, estimé au minimum à 1 ou 2 milliards d’années après le Big bang, pour qu’apparaissent les premières galaxies, une durée qui semblait suffisamment raisonnable pour la création et le rassemblement notable des toutes premières étoiles. Au fil des années, Hubble a observé de plus en plus loin dans l’espace (et, donc, comme on l’a déjà dit, dans le passé). Seulement voilà : en repoussant les limites d’observation de 5 à 6 milliards d’années-lumière jusqu’à récemment plus de 13 milliards d’années-lumière (soit 6 à 700 000 ans après le Big bang), on a eu une grosse surprise : même si loin dans le passé, il y a quand même des galaxies et en nombre… Premier accroc à la théorie jusque là admise.

·         Des galaxies géantes depuis le début

Classiquement, la théorie prévoyait un fait parfaitement logique : les galaxies se seraient formées peu à peu, par réunion de conglomérats d’étoiles. Du coup, dans cette vision, les galaxies sont d’abord petites puis grossissent lentement avec le temps jusqu’à former, des milliards d’années plus tard, des galaxies géantes. Oui mais ce n’est pas ce qui a été découvert par le télescope : ses clichés sont formels et des galaxies géantes (regroupant plus de mille milliards d’étoiles alors que, pour mémoire, la Voie lactée, notre galaxie, n’en renferme « que » 150 à 200 milliards) sont observables dès le premier milliard d’années après le Big bang. Comment cela est-il possible ? Deuxième accroc.

·         les trous noirs massifs des premières galaxies

Il est parfaitement possible de calculer pour chaque galaxie le rapport entre leur masse proprement dite et celle de leur trou noir central et là aussi les chiffres recèlent des surprises apparemment difficiles à expliquer. Pour les galaxies (relativement) proches, situées entre 1 et 6 milliards d’années-lumière, on trouve un rapport d’environ 700. Énoncé autrement, cela veut dire que ces galaxies « pèsent » approximativement 700 fois plus que leur trou noir. En observant plus loin, vers 10 milliards d’années-lumière, le rapport tombe à 300/400… et même à 200 pour les galaxies du début, vers 12 milliards d’années-lumière. Les calculs sont vite faits car, la matière étant toujours la même, il n’y a qu’une explication envisageable : les trous noirs du lointain passé étaient (beaucoup) plus massifs que les plus récents.  Comment faire coïncider cette découverte avec une théorie crédible ? Troisième accroc.

La théorie des trous noirs créateurs

C’est à ce stade des réflexions que la presse spécialisée s’est faite récemment le porte-parole d’une nouvelle approche : ce ne serait pas les étoiles qui auraient été formées en premier, juste après le Big bang, mais des trous noirs supermassifs dont l’activité aurait engendré les premières étoiles et galaxies.  Il s’agit d’une toute nouvelle théorie présentée par un astrophysicien du nom de David Elbaz (CEA de Saclay) et elle mérite, semble-t-il, qu’on s’y attarde un peu. 

Contrairement aux théories classiques, les trous noirs préexisteraient, on vient de le dire, à tout le reste. On connait ce type d’objets, forcément de façon indirecte puisqu’ils ne sont par définition pas visibles, grâce aux quasars qui les entourent : ces derniers, les sources les plus brillantes du ciel, sont probablement le résultat de la consumation de la matière absorbée par un trou noir ; c’est le seul moyen d’expliquer leur toute petite taille alors que leur luminosité dépasse parfois celle de la galaxie entière où ils se trouvent !

Imaginons-donc un quasar très actif, témoin du trou noir « phagocyteur » de matière qu’il entoure : les monstrueux jets de gaz propulsés par le trou noir tandis qu’il détruit la matière (voir le sujet trous noirs) provoquent dans un premier temps l’augmentation de sa taille ; par la suite, les tourbillons de gaz qui l’entourent entraînent la création d’un fantastique champ magnétique et c’est aux deux pôles de celui-ci que des faisceaux de gaz brûlant jaillissent pour traverser l’espace de part et d’autre du trou noir. Rencontrant alors des nuages d’hélium et d’hydrogène, ces faisceaux provoquent une considérable augmentation de la température locale et donc des réactions de fusion nucléaire : la conséquence en est connue et c’est l’éclosion de nouvelles étoiles pouvant assez rapidement s’agglutiner de manière à former des ensembles galactiques… Voilà une façon assez logique d’expliquer la présence très précoce de galaxies dans le passé de l’Univers. D’ogres abominables détruisant toute matière à sa portée, le trou noir, tel un Janus astronomique, est également propulsé au rôle de créateur d’étoiles !

Qu’en pense le petit microcosme de l’astronomie moderne ? Eh bien, comme toujours, il est divisé : certains sont enthousiasmés par cette nouvelle approche conceptuelle tandis que d’autres sont plus que sceptiques, avançant que le gaz entourant le quasar n’est que repoussé au loin sans création de nouvelles étoiles. La solution viendra peut-être d’une approche intermédiaire : le titulaire de la chaire d’astronomie de l’université d’Oxford déclarait récemment qu’il était possible que les trous noirs créent dans un premier temps des myriades d’étoiles avant que les gaz ne soient repoussés par sa force conjuguée au souffle de l’explosion des supernovae nouvellement formées.

L’avenir du passé

La barrière d’observation indépassable (étant donné, en tout cas, l’état actuel de nos connaissances) reste ce rayonnement fossile déjà évoqué, témoin de l’apparition de la lumière. Le télescope Hubble nous a permis de nous approcher de manière relativement fine jusqu’à environ 600 000 années-lumière du Big bang, c’est-à dire à quelques centaines de milliers d’années du point de départ (visible) ; la période encore manquante entre les observations de Hubble et le rayonnement fossile est probablement la plus intéressante de l’histoire de notre univers puisque son décryptage permettrait de trancher de façon presque définitive sur la formation des premières étoiles : on pourrait ainsi savoir quelle était la véritable nature des nuages de gaz concernés, pourquoi (et comment) la répartition des galaxies est ce qu’elle est, si les trous noirs primordiaux ont réellement contribué à l’amorce des galaxies, bref, toutes ces questions fondamentales qui passionnent la communauté astronomique internationale. Or, nous ne sommes pas très loin d’aboutir : dans quelques années, le successeur de Hubble, le télescope spatial James Webb, plus performant et bénéficiant de l’expérience de son illustre prédécesseur, sera enfin lancé et il devrait nous apporter les réponses à toutes ces questions. Peut-être.

Sources : Science & Vie, 1111, avril 2010

Images

1. ciel extragalactique : la nébuleuse d'Andromède m31 (sources : faculty.physics.tamu.edu)

2. filaments cosmique (simulation) (sources :  www.insu.cnrs.fr)

3. le quasar 3C 273 (sources : www.physics.uc.edu) 

4. fusion de galaxies (sources :  www.astronoo.com)

5. trou noir (vue d'artiste) (sources : boulesteix.blog.lemonde.fr) 

(Pour lire les légendes des illustrations, passer le pointeur de la souris dessus)

Mots-clés : galaxies premières - Big bang - cosmologie scientifique - quasars - rayonnement fossile (fonds diffus cosmologique) - filaments cosmiques - trous noirs galactiques - télescope spatial Hubble (en anglais et en français) - David Elbaz - télescope spatial James Webb

 (les mots en blanc renvoient à des sites d'informations complémentaires)

Sujets connexes sur le blog :

1. avant le Big bang

2. les étoiles primordiales

3. la théorie des cordes ou l'Univers repensé

4. les premières galaxies

5. Big bang et origine de l'Univers

6. trous noirs

7. les galaxies

8. pulsars et quasars

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Mise à jour : 2 mars 2023

les galaxies primordiales (télescope Hubble, 2004) 

     Il y a quelques semaines, grâce à sa nouvelle optique infrarouge, le télescope spatial Hubble a pu prendre des clichés de galaxies situées à 13,1 milliards d’années-lumière, un record… Contempler de tels objets astronomiques, c’est en réalité regarder loin dans le passé – nous l’avons déjà évoqué, notamment dans le sujet distances et durées des âges géologiques – et c'est observer l’Univers tel qu’il était il y a plus de 13 milliards d’années, lorsqu’il venait juste de naître, bien avant l’apparition de notre système solaire. On situe le Big-bang, la création de notre univers, quelque part vers – 13,7 milliards d’années : les galaxies observées par Hubble sont donc parmi les premières à avoir existé. Sait-on comment elles se sont formées et, plus généralement, pourquoi la matière a pris cet aspect, une issue qui a mené à ce que nous sommes aujourd’hui ?

La théorie hiérarchique

la classification de Hubble

     En 1924, Edwin Hubble décrypta pour la première fois dans l’histoire de l’Humanité la nature exacte des galaxies qu’on appelait encore « nébuleuses » et démontra de façon définitive que ces « halos de lumière » flous et plus ou moins visibles n’appartiennent pas à notre galaxie, la Voie lactée, mais sont situés en dehors d’elle ; en d’autres termes, il avança cette nouvelle incroyable pour l’époque : la matière existe en dehors de notre propre concentration d’étoiles et l’Univers est infiniment plus vaste qu’on ne le croyait. On sait à présent que des galaxies comme la nôtre (qui contient approximativement 150 à 200 milliards d’étoiles), il en existe des milliards ce qui fait beaucoup de matière… mais dans un univers si étendu qu’il est néanmoins composé à plus de 99% de vide !  Fort de sa découverte et du fait qu’il pilotait le télescope du Mont Wilson, probablement le plus performant de ce début du XXème siècle, Hubble commença par classer les objets célestes qu’il venait de découvrir en différentes catégories, s’appuyant sur le seul élément dont il disposait, leur apparence. Il décrivit ainsi des galaxies arrondies baptisées par lui elliptiques, des galaxies avec un disque central ou lenticulaires, des galaxies possédant des bras s’enroulant autour d’un bulbe central ou spirales, certaines d’entre elles barrées dans leur centre, etc. (voir le sujet : les galaxies). Comparant ces objets astronomiques qu’il venait de découvrir, il chercha à systématiser leurs aspects afin de mieux organiser leur classification.

Le scénario hiérarchique

     Bien que passant pour les plus performants de leur époque, les instruments de Hubble

étaient encore relativement imprécis et le scientifique avait du mal à apprécier les tailles relatives des différents types de galaxies. Il imagina néanmoins que tous ces objets dérivaient les uns des autres : par exemple, les galaxies elliptiques (qualifiées par lui de « précoces »), devenaient spirales (qu’il désignait comme « tardives ») en acquérant des bras, etc.  Il s’agissait donc d’une approche évolutive, un peu à la manière de celle des êtres vivants.

     Par la suite, surtout à partir des années 1960-70, on repensa la classification de Hubble en prétendant au contraire que c’était, par exemple, les galaxies spirales qui, en fusionnant avec d’autres, perdaient leurs bras pour donner une galaxie elliptique mais une chose restait sûre : ces formations découlaient toutes les unes des autres selon une hiérarchisation qui restait à définir de façon formelle. On parla alors de scénario hiérarchique, scénario au sein duquel la fusion entre les galaxies était l’explication principale, le moteur de leur évolution en entités toujours plus importantes. De ce fait, il devenait évident que, en regardant de plus en plus loin dans l’espace (et donc dans le passé) on retrouverait les éléments précurseurs, ces toutes premières galaxies qui devaient être très petites, voire naines, plutôt irrégulières et devant fusionner en grand nombre.

Les observations

     Jusqu’au début des années 2000, le scénario hiérarchique fait pratiquement l’unanimité des astronomes car il explique assez bien l’apparition des galaxies quelques centaines de millions d’années après le Big-bang.  Depuis les années 70, on sait que contrairement à ce qui était auparavant affirmé, les chocs entre galaxies sont fréquents et on peut en observer avec les instruments de l’époque. En réalité, il existe (comme on l’a déjà souligné) tellement de vide entre les étoiles que lorsque deux galaxies, ces monstres cosmiques renfermant des milliards d’étoiles, se heurtent et s’interpénètrent, il n’existe jamais de chocs frontaux entre étoiles : tout se passe au niveau des attirances gravitationnelles et, de loin, on peut observer la galaxie résultante prendre

une configuration différente de celles des galaxies qui l’ont formée : par exemple, deux galaxies spirales en fusionnant perdent leurs bras pour donner naissance à une galaxie géante elliptique, arrondie, dont les étoiles voient leurs trajectoires complètement désorganisées avant d’être « réajustées » par les nouvelles forces gravitationnelles présentes. Je précise que ces phénomènes cosmiques gigantesques dépassent bien sûr la durée des vies humaines et même des civilisations puisque s’étendant sur des millions d’années et que, de « l’intérieur », d’éventuels observateurs ne verraient… rien de particulier, si ce n’est – peut-être – une densité d’étoiles un peu plus élevée qu’attendue.

     Puisqu’on peut observer de telles fusions galactiques, comment ne pas imaginer que les premières galaxies se soient ainsi formées par fusions successives pour aboutir aux géantes que l’on connait aujourd’hui, d’autant qu’en ces temps primordiaux, l’Univers était moins étendu, les galaxies plus proches les unes des autres et les fusions forcément beaucoup plus nombreuses ? Un autre argument est en faveur du scénario : les fusions galactiques, si elles ne provoquent pas de catastrophes entre les étoiles déjà formées, entraînent de profonds remaniements dans la répartition et l’état des gaz galactiques avec pour conséquence une explosion de la création d’étoiles, la fusion pouvant être assimilée à une véritable crèche stellaire : voilà comment expliquer la création des premières étoiles, ces soleils aujourd’hui disparus que l’on qualifie d’étoiles primordiales car dépourvues d’éléments atomiques lourds (qui ne pourront apparaître qu’avec les générations ultérieures).

     Il subsiste quand même quelques interrogations. La fusion de deux galaxies conduit à un objet plus gros (c’est la logique qui le veut) où le maximum d’étoiles se retrouve au centre, dans ce que l’on appelle le bulbe galactique (et ça, ce sont les simulations informatiques qui l’ont démontré sans appel). Problème : notre propre galaxie, la Voie lactée, ne renferme que 20% de ses étoiles dans son bulbe et ce chiffre est peu compatible avec un accroissement de taille par fusion… Et notre galaxie est loin d’être la seule ! Il existe même des galaxies aussi grosses que la nôtre qui n’ont pas de bulbe central du tout. Pourquoi ?

     En 2004, d’extraordinaires images proviennent du télescope spatial Hubble : celles faisant partie du « Hubble Ultra Deep Field » et qu’on peut observer au début de ce sujet. Les scientifiques constatent une différence considérable entre 700 millions d’années où il n’y a que peu de galaxies et 900 millions d’années où elles sont très nombreuses : quelque chose s’est joué entre ces deux dates. Toutefois, il existe toujours une incertitude : les galaxies observées n’ont pas l’air de fusionner plus qu’aujourd’hui et, surtout, elles ne possèdent pas les gros bulbes (de fusion) qu’elles devraient avoir…

     Deux ans plus tard, grâce au plus grand télescope terrestre, le VLT, installé au Chili, des astronomes observent une galaxie plus récente mais quand même fort ancienne puisqu’existant « seulement » trois milliards d’années après le Big-bang or cette dernière ressemble tout à fait à la Voie lactée… sauf qu’elle fabrique bien plus d’étoiles qu’elle. Comment expliquer un tel objet si tôt dans l’Univers ? Ce ne peut pas être le résultat de fusions de galaxies naines car il n’y a pas eu assez de temps pour ça.

     Il y a quelques jours, le 5 janvier 2010, l’équipe du télescope spatial autorise la publication d'une extraordinaire photo du ciel lointain (ci-contre) légendée ainsi : « This is the deepest image of the universe ever taken in near-infrared light by NASA's Hubble Space Telescope. The faintest and reddest objects (left inset) in the image are galaxies that correspond to "look-back times" of approximately 12.9 billion years to 13.1 billion years ago. No galaxies have been seen before at such early epochs. These galaxies are much smaller than the Milky Way galaxy and have populations of stars that are intrinsically very blue. This may indicate the galaxies are so primordial that they are deficient in heavier elements, and as a result, are quite free of the dust that reddens light through scattering. » (Il s’agit de la vue la plus profonde de l’Univers jamais prise en lumière infrarouge par le télescope spatial Hubble de la NASA. Les objets rouges et à peine visibles de l’image (insérés à gauche) sont des galaxies qui correspondent à une « vision dans le passé » d’environ 12,9 à 13,1 milliards d’années. Jamais aucune galaxie n’avait été vue à une époque aussi reculée. Ces galaxies sont plus petites que la Voie lactée et possèdent des populations d’étoiles qui sont intrinsèquement très bleues. Ceci pourrait vouloir dire qu’elles sont si primitives qu’elles sont déficitaires en éléments lourds et, de ce fait, pratiquement libres de toute poussière pouvant rougir la lumière par dispersion). Mais, semble-t-il, toujours pas plus de fusions galactiques. Alors ?

Théorie alternative

     L’image la plus ancienne de l’Univers que l’on possède est celle du rayonnement fossile appelé fonds diffus cosmologique : c’est le témoin de la distribution de la matière juste après le Big-bang (voir sujet : fonds diffus cosmologique).  Toutefois, cette diffusion ne s’est pas faite de façon parfaitement homogène comme en témoigne la répartition des galaxies : celles-ci se distribuent le long de lignes  appelées par les astronomes « filaments cosmiques » qui parsèment l’Univers en une sorte de gigantesque toile d’araignée et entre lesquels il n’y a que du vide. Pour de nombreux scientifiques ces filaments devraient d'ailleurs être composés de cette fameuse matière noire dont, comme l'Arlésienne, on parle toujours sans jamais la voir mais il s'agit là d'une autre affaire... Or, selon la théorie du Big-bang, il a existé dans l’Univers primordial des courants « froids » d'hydrogène, en fait des masses de gaz sous l’effet de la gravitation (lorsqu’on dit courants froids, tout est relatif puisque leur température est d’environ 10 000°, à comparer aux millions de degrés des autres courants gazeux en mouvement). On peut penser que ces gaz, plus denses, ont fini par se retrouver  le long de ces filaments cosmiques pour y rencontrer la matière accumulée là et provoquer la formation de très nombreuses étoiles. Ces étoiles se sont ensuite regroupées en des objets plus massifs, les premières galaxies. Cela ne veut pas dire que les fusions du scénario hiérarchique n’ont pas eu lieu mais qu’elles sont moins importantes qu’on le pensait pour l’élaboration de ces premiers groupements d’étoiles.

     Cette nouvelle approche, connue sous le nom de « théorie des courants froids » a reçu un début de consécration puisque de nombreuses équipes d’astronomes travaillent sur les simulations induites par cette hypothèse, simulations qui vont bien dans le sens souhaité par la nouvelle théorie… Selon ses défenseurs, la théorie expliquerait la création des ¾ des galaxies jusqu’à l’âge d’environ 6 milliards d’années de l’univers, époque de l’épuisement naturel de ces courants gazeux. A partir de ce moment et jusqu’à aujourd’hui, ce sont les collisions et fusions entre galaxies qui ont pris le relai dans la formation des nouvelles galaxies et étoiles. 

     Le successeur du télescope Hubble (le télescope spatial James Webb), attendu avec impatience par la communauté scientifique, apportera sans doute de nouvelles informations sur cet univers si lointain, dans le temps et dans l’espace, et tranchera vraisemblablement de manière définitive entre les deux approches.  Il nous en apprendra certainement beaucoup plus sur les premiers moments de notre univers puisque nous avons la chance que nos télescopes soient, d’une certaine façon, de vraies machines à remonter le temps. On a hâte de le voir à l’œuvre.

     Ce qu’il y a, par ailleurs, d’extraordinaire, c’est de constater le fantastique accroissement de nos connaissances ces derniers temps : on dit qu’on a plus progressé en savoir ces trente dernières années que depuis le début de la conscience humaine. La technique et les machines, sans doute, permettent cela mais aussi l’esprit des hommes, de moins en moins dépendant des prisons conceptuelles, des idées toutes faites, des aprioris dogmatiques et des préjugés. Et ça, c’est une bonne nouvelle.

Note : mars 2016 : la plus ancienne galaxie (pour le moment)

     Record battu pour le télescope spatial Hubble : il vient de repérer la plus ancienne galaxie jamais observée par l'Homme. Baptisée GN-z11, elle est située à 13,4 milliards d'années de nous et comme on a estimé l'âge de l'Univers à 13,8 milliards d'années, cela veut dire que ce dernier était âgé de seulement 400 millions d'années lorsque l'image de GN-z11 a été émise...

     Le précédent record concernait une galaxie âgée de 580 millions d'années mais il y a gros à parier que le futur télescope spatial James Webb trouvera encore plus loin... En attendant, cette lointaine cousine de la Voie lactée nous confirme que nous ne savons pas grand chose sur les premiers instants de l'Univers.

     En effet, bien que 25 fois plus petite que notre galaxie, GN-z11 en est quand même une "vraie", bourrée d'étoiles jeunes, et les scientifiques sont obligés de revoir leurs modèles de formation des galaxies : ils ne s'attendaient pas à voir un objet si massif si tôt, à peine 200 à 300 millions d'années après la formation des premières étoiles et donc si près du Big bang...

(in "le journal du blog de cepheides, 15 mars 2016, sur Facebook - lien ci-après)

Images :

1. télescope Hubble 2004 : les premières galaxies

(sources : www.planetastronomy.com)

2. Edwin Hubble et le télescope du Mont Wilson (sources : www.heise.de)

3. classification des galaxies selon E. Hubble (sources : www.astropolis.fr)

4. Fusion de galaxies : Arp87, 300 millions d’al, const. du Lion, février 2007

(sources : alluniversal.blogspot.com)

5. la Voie lactée (sources : www.notre-planete.info)

6. télescope Hubble 2010 (sources : hubblesite.org/newscenter/)

7. gaz galactique : selon le codage retenu, le gaz froid est en rouge et le chaud en bleu (sources :  blogs.lexpress.fr)

                                                  taches solaires en 2001

                                               (sources :  www.journaldunet.com/)

     Chaque jour et depuis à présent de nombreuses années, des astronomes professionnels mais aussi des amateurs éclairés, répartis sur les cinq continents, évaluent le nombre et l’étendue des taches solaires. Ils déterminent ainsi l’indice RI ou « nombre relatif international de Wolf » qui, corrélé à d’autres mesures (photographiques, électriques, etc.) permet en fait de quantifier l’activité solaire. Toutefois, depuis quelques mois, les observateurs se heurtent à un problème de taille : les taches solaires ont disparu ! Phénomène plutôt inhabituel puisqu’il faut remonter à un peu avant la guerre de 14-18, voire au XVIIe siècle, pour retrouver un tel événement : des mois entiers durant lesquels aucune tache n’est visible… On peut donc se poser une double question des plus légitimes : pourquoi une telle anomalie et, d’abord, ces fameuses taches, c’est quoi au juste ?

Origine des taches solaires

Le Soleil, nous avons déjà eu l’occasion de le dire dans des sujets précédents,  est de type spectral G2–V. Quand on le regarde, on lui reconnaît une couleur jaune tirant sur le blanc : il est en réalité plus chaud que la moyenne des étoiles de sa taille puisqu’il accuse environ 5800 kelvins à sa surface, soit 5527 °C (rappelons que la température de son centre, siège des réactions nucléaires, est de l’ordre bien plus élevé de 15 600 000 kelvins). C’est pour cette raison qu’il est classé G2 tandis que la lettre V signifie simplement qu’il est toujours (et pour longtemps) situé sur la séquence principale du diagramme de Hertzsprung-Russell des étoiles (voir le sujet : mort d’une étoile). La majeure partie des étoiles de notre galaxie, la Voie lactée (et probablement de toutes les autres galaxies), sont des naines rouges, donc moins chaudes que le Soleil (classé comme une naine jaune) mais, au total, il existe des millions d’étoiles semblables à lui ce qui en fait un astre parfaitement banal. Mais ces taches (que l’on peut voir sur l’image d’introduction) me direz-vous ?

Sur un corps incandescent, une tache signifie simplement que l’endroit est (relativement) plus froid que le reste du corps : on peut le voir par exemple dans une fonderie où les barres d’acier possèdent pour certaines d’entre elles et à certains moments des taches sombres qui tranchent sur le jaune rougeoyant du reste. Pour le Soleil, c’est pareil : les taches sont donc des zones (légèrement) moins chaudes mais pourquoi ?

Il y a quelques années (en 2001), le satellite d’observation SOHO est venu confirmer ce que l’on soupçonnait : une tache solaire

est une espèce d’immense tourbillon (certaines

taches sont grandes comme des dizaines de Terre) où le gaz situé à la surface du Soleil plonge vers l’intérieur à des vitesses de plusieurs milliers de km à l’heure. On sait depuis longtemps que le Soleil est le lieu de gigantesques champs magnétiques et ce sont eux qui enserrent les flux de gaz venant de son cœur et y retournant d’où l’apparition de zones moins chaudes, les taches. Ces taches sont donc variables en tailles et en durées, ces dernières pouvant s’étendre sur plusieurs jours ou semaines. Il existe comme on va le voir des cycles d’activité solaire qui rythment l’aspect de ces taches mais une chose est certaine : leur disparition totale durant des mois entiers est très inhabituelle.

 Cycles solaires

Depuis bien longtemps, les astronomes ont voulu caractériser l’activité solaire, notamment en cherchant à savoir si celle-ci se répétait à termes réguliers, un peu comme il existe un faux « cycle solaire » chaque année (les saisons) dû en fait à la révolution terrestre. Il faudra attendre l’astronome suisse Johann Wolf (1816-1893) – celui du nombre relatif international déjà cité – pour en avoir la certitude : c’est le premier à avoir réussi à quantifier cette activité en comptant les fameuses taches. Précisons toutefois que ces dernières étaient connues depuis fort longtemps : les astronomes chinois et grecs de l’antiquité en parlent dans leurs différents ouvrages mais c’est Galilée qui, grâce à sa lunette astronomique, les observera de façon plus complète.

Ces taches sont, on l’a dit, le lieu d’une intense activité magnétique et un endroit rendu moins chaud que le reste de la surface solaire. Elles évoluent en groupes plus ou moins importants qui, peu à peu, se rapprochent de l’équateur solaire jusqu’à changer de polarité et inaugurer ainsi le cycle suivant. Chacun de ces cycles dure approximativement 11 ans (en fait entre 8 et 15 ans) mais puisque les polarités – on vient de le dire – s’inversent à chaque fois, on peut parler de cycle complet tous les 22 ans. Bien, voilà pour la description mais que peut-on en conclure sur l’activité de notre étoile, activité dont on sait l’importance à notre échelle et à celle de notre planète ?

Contrairement aux idées reçues sur son caractère immuable, le Soleil passe donc par différentes périodes de plus ou moins grande vigueur : on sait que son maximum d’activité correspond à la partie du cycle solaire où existe un maximum de taches ; c’est à ce moment là que les éruptions solaires sont les plus fréquentes et que ses protubérances (les projections de matière depuis sa surface) sont les plus intenses. De nombreuses émissions de rayons (ultraviolets, ondes radio, rayons X) sont contemporaines de ces épisodes d’hyperactivité et cela peut avoir des conséquences importantes pour la Terre avec notamment des perturbations dans les communications (le cauchemar des gestionnaires de satellites), voire même dans les transports aériens. Mais au-delà ? Sur le climat, par exemple ? La question est difficile et pas encore tranchée. Voyons déjà si le passé nous apprend quelque chose.

 Irrégularités du passé

Lorsque l’on se penche sur les chroniques météorologiques (ou sur ce qui en faisait office) dans le passé, on s’aperçoit qu’un important changement climatique a été décrit entre le XVIème et XIX siècle sous le nom de petit âge glaciaire.

·              Le petit âge glaciaire : il s’est étendu approximativement des années 1550-1580 aux années 1850-1860. Il s’agit d’une période de climat froid, notamment décrit en Europe et en Amérique du nord (ce n’est pas une surprise) mais qui a touché le globe dans son entier. En réalité, il semble que cette période ait même commencé plus tôt, les hivers ayant été particulièrement rigoureux, dit la chronique, depuis le XIIIème siècle. On assiste alors à une considérable avancée des glaces et à des phénomènes spectaculaires : on marche à pied sur la Tamise gelée en 1607 et sur la Seine durant 35 jours de suite en 1777 (cette dernière gèlera 24 fois entre 1740 et 1859 mais plus aucune fois - sauf erreur - depuis 1891). En 1709, la méditerranée est gelée à Marseille et à Gènes. Le 21 janvier 1795, au Helder, la cavalerie française de Pichegru s’empare de la flotte hollandaise bloquée par les glaces et durant l’hiver de 1780, à New York, on allait à pied sec (ou plutôt à pied gelé) de Manhattan à Staten Island ce qui, pour ceux qui connaissent, est plutôt difficile à faire aujourd’hui. Autant de signes montrant que, durant ces quelques siècles, il a fait froid, très froid… Bon, mais quel rapport avec les taches solaires ?

·                Les minimums solaires : plusieurs minimums d’activité solaire ont été décrits durant les phases les plus extrêmes du petit âge glaciaire que je viens de mentionner. Il en existe trois : le minimum de Spörer (1420-1570), celui de Maunder (1645-1715) et celui de Dalton (1790-1830). Durant le minimum de Maunder, l’activité magnétique du Soleil a pratiquement disparu durant près de 70 ans sans qu’on ait la moindre idée de la cause. C’est durant ces périodes de moindre activité solaire que des phénomènes bien particuliers ont été décrits : par exemple, durant le minimum de Dalton (30 ans de moindre activité solaire), la station allemande d’Oberlach qui suivait les phénomènes climatiques a décrit une baisse moyenne des températures de 2° sur une durée de plus de 20 ans… 

Quelles conclusions peut-on tirer de ces rapprochements entre le refroidissement du climat et les minimums d’activité solaire ? Précisément que, par un mécanisme encore mal connu, le Soleil a une influence probablement importante sur le climat terrestre même s’il n’est pas seul : des éruptions volcaniques ou des diminutions de courants océaniques sont également évoqués. On ne peut toutefois pas s’empêcher d’avancer deux hypothèses d’origine solaire : une variation du rayonnement et la modulation par le vent solaire des rayons cosmiques. Quelles proportions pour les uns et les autres ? On ne sait pas vraiment.

 La situation actuelle

Depuis 1761 on suit et on compte les cycles solaires. En 2008 s’achevait avec son minimum le cycle 23 ; dès lors devait commencer le cycle 24 avec la montée en puissance progressive de l’activité solaire qui culminerait avec son cortège de protubérances, de maxima magnétiques, de taches, etc. sauf que… il ne s’est rien passé ; on a eu beau scruter, rien à se mettre sous la dent : pas de tache, pas de début de reprise de cycle. Bon, se sont dit les astronomes, tout cela n’est pas bien grave et le Soleil n’est pas un ordinateur, il a quelques irrégularités : tout repartira en 2009 ! Mais au début d’octobre 2009,  le soleil totalisait déjà 8 mois sans la moindre tache… Pourtant, les spécialistes expliquent que le cycle 24 a bien débuté puisque, dans les très rares régions actives pouvant être surveillées, l’inversion des champs magnétiques a bien eu lieu en janvier 2008…

Le cycle en cours semble donc différent des précédents et on ne sait pas quand redémarrera pleinement l’activité magnétique solaire. A en croire la presse spécialisée, il y a même des astronomes qui prédisent la disparition programmée des taches solaires vers 2015 car leurs températures, par insuffisance de champ magnétique, augmentent peu à peu jusqu’à les faire se confondre avec le reste de la surface. Alors, disparition des taches solaires pour longtemps ? Mais, au fait, cela s’est déjà produit… durant les minimums de Maunder et de Dalton notamment… avec les conséquences sur le climat que l’on a décrites : le refroidissement général.

Nous ne savons pas si les taches solaires vont disparaître durablement et, avec elles, survenir une moindre activité de notre étoile. Seul l’avenir (assez proche) pourra nous renseigner mais une chose est sûre : si c’est le cas, si nous approchons d’un nouveau minimum, ce ne sera pas forcément mauvais pour notre planète en ces temps de réchauffement climatique !

Complément : le retour des taches solaires (février 2010)

      En ce mois de février 2010, depuis plusieurs jours, on peut à nouveau observer quelques taches solaires, signe d'une reprise normale du cycle solaire. Aucun scientifique ne semble en mesure d'expliquer les raisons de ce retard de près de trois ans, ni si cette reprise sera véritablement durable. En tout état de cause, on peut penser que le maximum d'activité prévu pour 2012 ne sera probablement pas à la hauteur de celui de 2001 (en raison, précisément, de ce retard) : nous le verrons bien en temps et en heure, de la même façon que nous saurons rapidement si la reprise d'activité actuelle est durable ou un simple épiphénomène. Patience, patience... comme toujours !

... et le nouveau cycle solaire (mai 2013)

     Par comparaison avec les cycles solaires antérieurs rapportés par les chroniques des sociétés savantes, il est tout à fait possible d'estimer l'activité solaire à venir. Le spécialiste des taches solaires David Hattaway (de la NASA) pense que le cycle actuel, le numéro 24, sera probablement centré sur mai 2013 et, du coup, que la période de ce cycle sera de 13 ans (donc 26 ans au total). On peut dès lors faire une estimation du cycle 25 qui suivra et qui devrait être de 19 ans avec un maximum en 2032. En replongeant dans les tables, on s'aperçoit que le cycle 24 actuel est très semblable à celui des années 1799 à 1810 (cycle 5), en intensité et en période. Le cycle suivant devrait donc être le plus faible depuis 200 ans et, toujours selon Hattaway, nous nous dirigerions alors vers un minimum de Dalton (voir plus haut, dans l'article)...

Images

1. taches solaires en 2001 (sources : www.journaldunet.com/)

2. planète tournant autour d'une naine rouge : il s'agit bien sûr d'une vue d'artiste...  (sources : lecosmographe.com)

3. champ magnétique solaire (sources : irfu.cea.fr)

4. protubérance solaire (sources :  www.cea.fr/)

5. la Seine gelée en 1891 (sources : www.meteopassion.com)

6. un soleil... sans taches (sources :  blog.syti.net)

(Pour lire les légendes des illustrations, passer le pointeur de la souris dessus)

  Mots-clés :  indice de Wolf - type spectral stellaire GV-2 - diagramme de Hertzsprung-Russell - naine rouge - naine jaune - satellite SOHO - champ magnétique solaire - cycles solaires - petit âge glaciaire - minimums de Spörer, Maunder, Dalton 

(les mots en gris renvoient à des sites d'informations complémentaires)

 Sujets apparentés sur le blog :

1. mort d'une étoile

 2. origine du système solaire

 3. la couleur des étoiles

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 Mise à jour : 4 mars 2023

      Souvent les hommes ne voient que ce qu’ils veulent voir et cela les entraîne de temps en temps dans des égarements funestes. En théorie, les scientifiques ne devraient pas tomber dans ce travers puisqu’ils appuient leurs affirmations sur des observations (et, en principe aussi, sur des expérimentations) dûment constatées, partagées, critiquées et validées mais l’histoire des sciences nous prouve que ce n’est pas si simple : récemment encore des élucubrations malheureuses (je pense à « la mémoire de l’eau » qui défraya la chronique il y a quelques années) nous prouvent le contraire. Heureusement, il est difficile de tromper durablement l’ensemble de la communauté scientifique… Et pourtant !

 
     Vers la fin du XIXème siècle, dans leur désir de prouver à toute force l’existence d’une vie extra-terrestre, la presque totalité des savants de l’époque se laissèrent entraîner dans une aventure pour le moins douteuse : à les croire, on avait acquis la certitude que notre voisine, la planète Mars, était habitée par des êtres intelligents aux remarquables capacités techniques et cette affirmation laissa (et laisse parfois encore) des traces profondes dans notre inconscient collectif.
 

Genèse d’une folie générale

     Le XVIIIème siècle se terminant, on a enfin la preuve que notre Terre n’est pas le centre du monde (voir sujet : la Terre, centre du Monde). Les observations patientes et progressivement de plus en plus précises des siècles précédents finissent par convaincre tout un chacun que les planètes tournent bien autour du Soleil, qu’elles possèdent des satellites, qu’elles sont comme la Terre des globes rocheux et que, en somme, elles lui sont très semblables. Dès lors pourquoi ne pas imaginer qu’elles recèlent également la Vie ? Et c’est effectivement ce qu’il se passe : les Philosophes (qui font suite à la Renaissance) s’emparent du sujet, l’approfondissent, le discutent, l’exposent et, de partout, on en arrive à venir écouter, entre autres, les conférences savantes d’un Fontenelle qui disserte à n’en plus finir sur « la pluralité des mondes habités ». Les découvertes de l’astronomie moderne se multipliant (c’est à cette époque qu’on découvre deux nouvelles planètes : Uranus par William Herschel et Neptune grâce aux complexes calculs mathématiques de Le Verrier), on en est convaincu : les mêmes causes produisant les mêmes effets, la Vie existe aussi sur les autres planètes et le système solaire est forcément habité par d’autres êtres intelligents avec lesquels il ne suffit plus qu’à entrer en contact ! On scrute avec patience tous les astres du système solaire et on finit par s’en persuader : c’est Mars qui apportera la preuve irréfutable de la théorie. Le plus grand astronome français du moment, Camille Flammarion, use de tout son poids – qui est considérable – pour appuyer cette affirmation. Il écrit notamment deux livres sur le sujet (le premier alors qu’il n’a pas encore 20 ans et le second une quinzaine d’années plus tard, intitulé « la planète Mars et ses conditions d’habitabilité », ouvrage dans lequel il consacre plus de 600 pages à la planète rouge !).
 

 
L’observation de Mars

 
     Le premier savant (connu) à se pencher sur le problème est un Jésuite, le père Secchi, à l’aide de la lunette astronomique de l’observatoire du Vatican. Secchi décrit une grande tache en triangle qu’il va baptiser « canal de l’Atlantique » et, plus encore, croit apercevoir des bandes noires parsemant la surface de l’astre, des bandes noires qu’il dénomme également du nom de canaux. En réalité, le terme utilisé – canali en italien – signifie bras de mer mais il sera mal compris par les traducteurs étrangers, deviendra canaux et l’on sait la bonne fortune qu’aura cette appellation en réalité impropre…

 
     C’est toutefois l’astronome italien Schiaparelli qui laissera durablement son nom dans cette aventure. Schiaparelli n’est pas un inconnu : il s’agit d’un des plus grands astronomes italiens de l’époque, entre autre directeur de l’observatoire de Milan. En 1877, ce savant profite d’une opposition de Mars (c'est-à-dire lorsque la Terre se situe entre le Soleil et Mars que l’on peut donc observer quand le Soleil se couche) pour étudier la planète avec un appareil de bonne facture et il confirme les observations de Secchi. Il décrit les mêmes lignes noires qu’il baptise également canali traversant des étendues brillantes (les continents) pour aller d’une tache plus sombre à une autre (les mers). Deux ans plus tard, il croit voir des « dédoublements » de ces canaux qu’il qualifie de géminations. De ce fait, c’est sûr : il est totalement impossible que ces structures soient l’œuvre de la Nature et elles se révèlent donc forcément artificielles. Quelques années plus tard (1888), Schiaparelli publie une grande carte des canaux avec force détails et une architecture des plus complexes…

 
     Ces publications, témoignages d’une observation minutieuse, sont une véritable révolution dans le landerneau astronomique et la communauté scientifique s’emballe. Toute la communauté ? Pas vraiment car il existe quelques courageux réfractaires aux idées nouvelles.

 
 
Les canaux martiens ne font pas l’unanimité

    Dès le début, en 1877, des voix s‘élèvent pour contester la découverte. Celle notamment de l’anglais Nathaniel Green qui réalise sa propre carte à partir de ses propres observations effectuées au large de l’Afrique, à Madère. La carte de Green ne relève aucun canal mais Schiaparelli n’en tient évidemment aucun compte et, bien au contraire, se moque de l’anglais en notant qu’il « n’est qu’un observateur médiocre »… ce qui ne convainc pas l’intéressé. Toutefois, Green est bien seul et la saga martienne s’empare de tous les esprits. Camille Flammarion – pour ne citer que lui – sera durablement influencé par les affirmations de l’astronome italien. Un autre personnage sera également convaincu, personnage qui aura beaucoup d’importance pour la suite des événements : Percival Lowell.

 
Percival Lowell et le « grand public »

 
     Percival Lowell est un riche américain qui, astronome amateur, abandonne tout pour se consacrer exclusivement à l’étude de la planète rouge (il sera par la suite le découvreur posthume de la planète naine Pluton). Sa « vocation » lui serait venue de la lecture du livre de Flammarion sur Mars. Quoi qu’il en soit, il se lance dans l’étude de la planète avec sa lunette de 6 pouces et recherche l’endroit qui lui paraît le plus propice à ses observations. Il retient le lieu de Flagstaff, dans l’Arizona, et, en 1894, y fait construire un grand observatoire d’altitude qu’il nommera « Mars Hill ». Bien entendu, il confirme rapidement les dires de Schiaparelli et offre même une explication aux immenses constructions observées. Pour lui, les Martiens ont construit des canaux pour lutter contre la désertification en cours de Mars et, irriguant les terres à partir des calottes glaciaires de la planète, combattre ainsi la sécheresse qui progresse. Il voit même dans le dédoublement des canaux rapporté par Schiaparelli (la fameuse gémination) une preuve supplémentaire de l’ingéniosité des architectes martiens qui peuvent ainsi poursuivre l’irrigation même en cas d’obstruction d’un des canaux (qu’il imagine bordés d’une bande de végétation d’une trentaine de km de part et d’autre, un peu à la façon de ce que l’on observe dans la vallée du Nil). Par la suite, l’observatoire de Lowell tirera de multiples clichés photographiques destinés à apporter la preuve irréfutable de la théorie, des clichés en fait assez flous et peu explicites mais quand on a la foi…

 
     Lowell n’est pas qu’un simple astronome amateur doté de moyens financiers importants : c’est également un conférencier au charisme certain qui multiplie les interventions publiques et sait manier la publicité à son avantage. Avec lui, l’intérêt pour les canaux martiens gagne le grand public par ailleurs tout disposé à croire à l’existence des mystérieux petits hommes verts… C’est ainsi que, en 1898, HG Wells, très inspiré par les travaux de Lowell, fait paraître un de ses chefs d’œuvre, la « guerre des mondes », un ouvrage considérable qui contribuera pour beaucoup à la popularité de l’habitabilité de Mars !

 

La fin d’un rêve

     Dès 1909, grâce à la lunette de l’observatoire de Meudon, Eugène Antoniadi montre bien le caractère trompeur des canaux en expliquant qu’il existe certainement des structures éparses dues au relief tourmenté de Mars mais que leur alignement désordonné peut donner l’illusion de lignes continues. Peine perdue : les « tenants des canaux » n’en démordent pas.

 
     Comment expliquer de telles erreurs chez des scientifiques de renom ? Certainement en partie par l’insuffisance du matériel utilisé : une luminosité insuffisante des lunettes d’observation peut, par exemple, entraîner une fatigue visuelle et faire voir des lignes continues là où n’existent que des points épars. Lorsqu’on utilise des instruments plus grands, c’est la turbulence de l’air qui vient créer les artéfacts recherchés. Tout cela est vrai mais l’essentiel n’est pas là. En vérité, dans l’histoire qui nous intéresse, il s’est agi d’une authentique psychose collective qui s’est emparée d’une communauté scientifique qui ne demandait « qu’à croire ». Lorsqu’une opinion est constituée avant qu’elle ne soit prouvée, toutes les recherches vont dans le même sens et les résultats sont fatalement interprétés en fonction du point de départ… (Rappelons au passage que c'est exactement cette même démarche antiscientifique qui, dans le domaine de l'Evolution, anime les créationnistes de la théorie du Dessin intelligent  : voir le sujet science et créationnisme). Et l'on sait bien que rien ne peut faire douter celui qui ne veut pas savoir : jusque dans les années 1960, le successeur de Lowell en charge de la fondation multiplia les clichés et, encore à sa mort, il croyait dur comme fer à la réalité des canaux martiens…

 
     Il faudra attendre les premières sondes spatiales (en l’occurrence Mariner 4, en 1965) pour se débarrasser définitivement de ces croyances d’un autre âge… qui subsistent encore dans l’inconscient collectif de nos contemporains comme le prouve la certitude absolue de certains concernant la présence d’OVNI occupés par des êtres intelligents venant de temps à autre nous rendre visite. Pourtant, à la suite des différentes missions automatisées envoyées dans tout le système solaire et de leurs extraordinaires photographies et séries de mesures, on sait avec certitude qu’il ne peut exister de vie organisée industrielle sur les autres planètes (et la première étoile proche est si lointaine…) mais rien n’y fait. Comme on le dit - non sans humour - dans la série X-Files : I want to believe !

 
Photos

1.  la planète Mars qui doit sa couleur rouge à des dépôts d'oxyde de fer (sources : boolsite.net)

2. Camille Flammarion (sources : astrosurf.com)

3. carte des canaux de Schiaparelli (sources : lecomplotdespapillons.blogspot.com)

4. Percival Lowell (sources : nirgal.net)

5. couverture du livre "la Guerre des mondes" de Wells (sources : decitre.fr)

6. preuve par Antoniadi de l'illusion des canaux martiens (sources : daviddarling.info)

7. vue d'artiste des canaux martiens (sources : nirgal.net, crédits photos  : Chesley Bonestell)

(Pour lire les légendes des illustrations, passer le pointeur de la souris dessus)
 

 
Mots-clés : vie extraterrestre – Fontenelle – Camille Flammarion – Angelo Secchi – canali - Giovanni Schiaparelli – opposition planétaire – gémination – Nathaniel Green – Percival Lowell – Herbert George Wells – Eugène Antoniadi - Mariner 4 – X Files 

 (les mots en gris renvoient à des sites d'informations complémentaires)

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2. Intelligent Design

3. Science et créationnisme

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Mise à jour : 28 février 2023

     Il peut sembler étrange de vouloir mélanger des durées et des distances qui, dans notre monde fini, relèvent de deux concepts différents mais ce n’est pas le cas en astronomie. En effet, la vitesse de la lumière (environ 300 000 km par seconde), une constante indépassable, est limitée : dès lors, si l’on regarde en direction du ciel, les objets observés sont à la fois lointains et situés dans le passé (à l’exception relative de notre environnement proche mais nous y reviendrons). Très vite, ces distances et ces durées relèvent de chiffres qu’il est bien difficile pour notre cerveau habitué à notre planète (un monde fini et minuscule) d’appréhender véritablement : que peut bien signifier 100 millions d’années-lumière (al) d’éloignement ou un milliard d’années dans le passé ? C’est la raison pour laquelle, afin de relativiser ces nombres pharamineux, l’esprit humain a souvent cherché des comparaisons qui lui « parlent » mieux : nous en verrons quelques unes.

 
Les âges géologiques

 
     Aux dernières estimations actuellement en vigueur, notre Univers est âgé de 13,6 milliards d’années tandis que notre Soleil et son cortège de planètes (dont notre Terre) se sont créés il y a 4,5 milliards d’années. Intéressons-nous dans un premier temps à l’histoire de notre bonne vieille Terre. Grâce aux diverses méthodes de datation des roches, nous pouvons subdiviser son âge en différentes périodes : pour plus de commodité, appelons temps 0 la création de notre planète à partir du nuage protosolaire et + 4.5 milliards d’années aujourd’hui (Evidemment, pour être plus proche de la réalité, les scientifiques comptent, eux, en temps négatifs). Nous trouvons alors :

  
   • le précambrien qui s’étend de 0 à + 3,96 milliards d’années,

  
   • l’ère primaire (ou paléozoïque) de + 3.96 à + 4,255 milliards d’années, cette ère étant elle-même subdivisée en plusieurs périodes allant du cambrien au permien,

  
   • l’ère secondaire (ou mésozoïque) de + 4,255 à + 4,435 milliards d’années et comprenant trois périodes, le trias, le jurassique et le crétacé,

  
   • l’ère tertiaire (à présent regroupée avec le quaternaire dans une ère unique appelée cénozoïque) allant de + 4, 435 à + 4,498 milliards d’années

 
   • Et l’ère quaternaire (cénozoïque également) allant de + 4,498 milliards d’années à aujourd’hui.

 
     Dit de cette manière, c’est vrai, ce n’est guère parlant. On peut donc proposer une autre lecture, plus facile à comprendre : essayons de rapporter l’histoire de la Terre à une seule année et voyons ce que donnerait la précédente description. Dans notre nouveau modèle, la création de la Terre se situerait autour du premier janvier de cette année fictive et :

 
   • Le précambrien s’étendrait alors jusqu’à la mi-septembre (il s’agit, bien sûr, d’approximations). C’est durant cette ère que sont apparues les premières créatures pluricellulaires vivantes, à savoir des invertébrés (dont les corps mous nous ont laissé peu de traces) et, selon notre nouvelle approche, cela se situait aux environs de la fin du mois d’août-début du mois de septembre…

 
   • Vient ensuite l’ère primaire, de la mi-septembre à la mi-novembre : c’est à la fin du permien (mi-novembre) qu’a eu lieu la grande extinction qui détruisit 95% des espèces marines alors vivantes et « seulement » 70% des espèces terrestres (voir le sujet les extinctions de masse et la grande extinction du Permien)…

 
   • L’ère secondaire, de la mi-novembre aux derniers jours de décembre voit la domination des grands sauriens qui disparaissent à la fin du crétacé, c'est-à-dire quelque part aux environs du 20 décembre ;

 
   • Le cénozoïque occupe la fin de l’année : les premiers hominidés (Toumaï) sont datés d’il y a 7 millions d’années ce qui les situe d’après notre modèle vers les tout derniers jours de décembre. Et l’Homme « moderne » dans tout cela ? Eh bien, son apparition et son extension fulgurante comme actuel animal dominant de la planète trouvent place le 31 décembre, une heure peut-être avant la nouvelle année…

 
     Une autre métaphore pour comprendre ces abîmes du temps est de comparer la vie sur Terre à la hauteur de la tour Eiffel : en pareil cas, la présence de l’Homme ne représenterait (en taille) que l’épaisseur de la couche de peinture située sur un des parapets du troisième étage du monument…

 
     Ces façons différentes (mais peu scientifiques, je le reconnais) de dater les événements sont certainement plus parlantes : elles ont, en tout cas, le mérite de nous montrer de manière frappante combien nous sommes les héritiers d’une longue, très longue histoire qui nous a vu précédés par des millions de générations d’animaux qui ont vécu, souffert, se sont reproduits pour, le plus souvent en fin de compte, disparaître sans laisser de traces. Cette pensée devrait nous rendre modestes…

Les distances astronomiques

 
     Nous venons d’évoquer les durées de temps écoulées depuis l’apparition de la Terre : elles sont, comme on l’a vu, colossales. Pourtant, l’Univers est approximativement plus de trois fois plus vieux que notre système solaire ! Or, chose remarquable, quand on observe les objets du ciel, on voit le passé : observée, par exemple, par le télescope spatial Hubble, une galaxie qui serait située à, disons, 8 milliards d’années-lumière, se présente à nos yeux comme elle était il y a 8 milliards d’années, c’est-à dire avant la création de notre Soleil… Comment se présente-t-elle réellement aujourd’hui ? Comment se fait-il que sa lumière ait mis si longtemps à nous parvenir ?

 
     C’est que l’univers est gigantesque, s’étendant sur des distances que le cerveau humain a du mal à se représenter. Très tôt dans l’histoire moderne de l’humanité, il a fallu se rendre à l’évidence : les distances calculées en millions voire en milliards de km ne représentent rien à l’échelle de l’univers. Le seul moyen pour déterminer les distances auxquelles se situent les objets astronomiques est de se référer à une autre dimension d’échelle et c’est la raison pour laquelle les scientifiques ont choisi la lumière. Si cette dernière nous paraît se transmettre de façon instantanée dans notre quotidien, il n’en est bien sûr pas de même entre les étoiles – et plus encore les galaxies – qui sont séparées par des distances à nos yeux pharamineuses. C’est ainsi que, même à sa vitesse pourtant conséquente de 300 000 km chaque seconde (en fait, plus précisément 299 792,458 km/s), il lui faut plus de quatre ans pour nous parvenir de notre voisine stellaire la plus proche, justement appelée Proxima du Centaure… Voyons cela de plus près (si j’ose dire).

 
          La proche banlieue

     Il s’agit évidemment de notre système solaire. La Terre, seulement la troisième planète du système, tourne autour du Soleil à une distance d’environ 150 millions de km ce qui, en vitesse lumière, représente approximativement 8 minutes. En d’autres termes, si le Soleil venait brusquement à s’éteindre, sa lumière nous éclairerait durant encore huit minutes… Cette distance de 8 minutes-lumière est d’ailleurs appelée unité astronomique (ou UA) et elle permet de situer de façon plus aisée les différents éloignements de nos compagnes planétaires du système.

 
     La plus grande des planètes de notre système, Jupiter, cinquième par le rang, est quant à elle située à 778 000 000 de km ou 5,2 UA. C’est déjà beaucoup plus loin puisque cela représente un peu plus de 40 minutes-lumière ! La dernière véritable planète du système, Neptune (puisque Pluton a été récemment rétrogradée en planète naine) se trouve à 30 UA, soit 4 heures-lumière. Toutefois, la zone considérée comme appartenant au système solaire ne s’arrête pas là : elle se situe à environ quatre fois la distance Soleil-Neptune, soit 120 UA environ. Il s’agit là d’un endroit aux limites finalement imprécises où le vent solaire (c'est-à-dire le flux plasmatique provenant de l’atmosphère solaire) entre en contact avec les vents provenant du milieu interstellaire.

 
     Ces chiffres peuvent paraître quelque peu abstraits. Prenons ici aussi une image nous permettant de mieux réaliser ce qu’ils représentent. Imaginons que nous posions sur le sol une orange sensée représenter le Soleil. La Terre serait alors une bille minuscule de la taille d’une tête d’épingle placée à 15 m de l’orange, Jupiter une bille de la taille d’une olive à 77 m et Neptune un petit pois à 450 m. La zone d’influence du Soleil s’étendrait quant à elle jusqu’à environ 1,5 à 2 km ! Et l’étoile la plus proche, Proxima du Centaure ? Eh bien, elle serait à environ… 4000 km.

 
          La Galaxie

     Les distances que nous venons de voir paraissent immenses ? Elles sont pourtant minuscules à l’échelle de notre galaxie, la Voie lactée. En effet, cette dernière (où le Soleil occupe une place relativement excentrée, voir le sujet place du Soleil dans la Galaxie) est un disque oblong d’un diamètre d’un peu moins de 100 000 al pour une épaisseur de 1 300 al et elle contient entre 200 et 400 milliards d’étoiles ! Chacune de ces étoiles est séparée par un grand vide cosmique (comme celui entourant le Soleil) à l’exception – peut-être – du halo central galactique où elles sont plus nombreuses et donc un peu plus proches les unes des autres. Une image ? Eh bien disons que si le système solaire est représenté par un grain de sable, la Galaxie est en proportion une petite plage…

 
     La Voie lactée appartient à ce que l’on appelle le « groupe local » qui est un ensemble d’une trentaine de galaxies dont les plus importantes sont notre galaxie et la galaxie d’Andromède M31. Ces galaxies sont suffisamment proches (tout est relatif, évidemment) pour subir leurs attractions réciproques. C’est ainsi que dans un avenir très lointain - 2 à 3 milliards d’années – la Voie lactée et Andromède finiront par fusionner en un super ensemble mais, comme on l’a déjà dit, les distances entre les étoiles sont si immenses qu’aucune d’entre elles ne devrait en heurter une autre.

 
          Au-delà

 
     Il existe des milliards d’amas de galaxies (un amas en contient approximativement une centaine) également organisés en superamas mais ces amas sont si distants les uns des autres que, contrairement à ce qui se passe pour le groupe local auquel nous appartenons, leurs forces d’attraction ne peuvent jouer : de ce fait, ces amas de galaxies s’éloignent les uns des autres à la vitesse de l’expansion de l’univers et cela dans toutes les directions (C’est ce qui avait tant intrigué les premiers découvreurs de galaxies - comme Edwin Hubble - qui voyaient bien que leurs spectres tiraient tous vers le rouge signifiant la fuite – le redshift des anglo-saxons – au contraire de celles du groupe local évidemment). Les distances entre les amas de galaxies sont si incroyables que je ne peux vous proposer de métaphores véritablement valides pour les exprimer…

 
          Au bout du bout de l’univers (connu)

 
     On trouve partout le fameux rayonnement fossile (voir le sujet fond diffus cosmologique) qui témoigne dans toutes les directions des premiers instants visibles qui ont succédé au Big Bang. Lorsqu'un de nos satellites enregistre des images de ce rayonnement, il regarde à 13,6 milliards d’années dans le passé, un chiffre qu’il me semble impossible de saisir et de vraiment comprendre autrement qu’intellectuellement…
 

 
     Dans ce bref exposé, j’espère vous avoir fait comprendre combien l’univers, notre univers, est immense et, par contre coup, combien notre planète et même le système solaire sont infimes. Par ailleurs, la vie des hommes est si brève que, comparée à l’ancienneté et à l’immensité de l'univers dans lequel ils se trouvent, ils ne représentent rien de plus que de simples bactéries par rapport à la taille et à l’âge de la Terre. Pourtant, les hommes, ces infimes créatures, ont su – au moins partiellement – décrypter leur environnement. Ce qui, en fin de compte, est loin d'être négligeable.

     Existe-t-il d’autres intelligences dans cette immensité ? Les calculs statistiques nous disent que oui (voir le sujet vie extraterrestre 2). Alors soit ! Mais, en réalité, le problème n’est pas là : s’ils existent – et si nous pouvons arriver à nous comprendre – comment faire pour passer outre aux limitations induites par ces distances vertigineuses, alors que l’on sait qu’une information ne pourra mettre moins de 4 ans pour atteindre Proxima du Centaure (qui, naine rouge, n’est certainement pas susceptible de voir se développer la Vie sur une de ses planètes, si elles existent) et autant pour en revenir ? Comment communiquer avec les étoiles plus lointaines tant est brève – à l’échelle de l’Univers – la durée d’une civilisation humaine ? J’avoue que j’aimerais bien le savoir.

Images :

1. le système solaire (sources : le-systeme-solaire.net)

2. les âges géologiques (sources : www.sepaq.com)

3. Jupiter (sources : www.science-et-vie.com)

4. voilà à quoi doit ressembler la Voie lactée vue de l'extérieur (sources : addlaseyne.free.fr)

5. amas de galaxies Abell 1689 (sources : www.futura-sciences.com)

6. fond diffus cosmologique photographié par le satellite WMAP, de la NASA, en 2003 (sources : wikipedia.fr)

 (Pour lire les légendes des illustrations, passer le pointeur de la souris dessus)  

Mots-clés : vitesse de la lumière - paléozoïque - mésozoïque - cénozoïque - Jupiter - Neptune - vent solaire - Voie lactée - galaxie d'Andromède M31 - amas de galaxies - superamas de galaxies - expansion de l'Univers - rayonnement fossile (fonds diffus cosmologique)

(les mots en gris renvoient à des sites d'informations complémentaires)

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