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30 septembre 2013 1 30 /09 /septembre /2013 00:00

Après la formule établie grâce au graphique d'Hernietta Leavitt, il ne restait plus qu'à trouver la distance d'une seul Céphéide pour étalonner la formule et permettre grâce à elle de connaître la distance de toutes les Céphéides.

Le souci, c'est qu'il n'existe aucune Céphéide à moins de 200 années-lumière, ce qui est bien trop loin pour essayer de calculer leur distance par triangulation.

Pour rappel, nous avions commencé à faire de la triangulation depuis deux endroits différents de la Terre (parallaxe diurne) ce qui nous avait permis de calculer la distance de Mars, puis on était passé à l'étape numéro deux en faisant de la triangulation depuis deux endroits différents de l'orbite de la Terre (parallaxe annuelle) qui nous avait permis de calculer la distance des planètes les plus proches (quelques années lumières)...

 

Maintenant il était temps de passer à l'étape trois... mais quelle étape trois et comment ?

 

Le mouvement propre

En 1838, Bessel avait pu, par triangulation, calculer la distance de sa première étoile grâce à un indice : son mouvement propre. En effet, 61 Cygni possédant un mouvement propre important, elle devait être proche du Soleil et donc un bon candidat pour le calcul de sa distance.

En fait, à cette époque, le mouvement propre des étoiles n'était pas une nouveauté (il avait été découvert par Halley en 1718), et d'ailleurs, un certain William Herschel avait découvert en 1783 que le Soleil avait lui-aussi son mouvement propre. Ce mouvement propre est de l'ordre de 20 km/s.

 

Pour schématiser, les étoiles de notre Galaxie tournent toutes autour de son centre, avec une vitesse dépendant de son éloignement, et une période dépendant aussi de son éloignement. Pourtant, si on se concentre sur des étoiles pas trop éloignées du Soleil (quelques centaines d'années lumières), on peut dire qu'elles tournent toutes à la même vitesse. La différence de vitesse entre ces étoiles, s'il y en a, n'est donc due qu'à leurs mouvements propres.

Le Soleil ayant un mouvement propre de 20 km/s, il parcourt donc, par rapport à l'ensemble des étoiles qui lui sont proches, une distance de 20×60×60×24×365,25 = 631 millions de km en un an, ou 3,15 milliards de km en 5 ans...

Donc si je suis patient, je vais pouvoir, en utilisant la vitesse propre du Soleil, faire de la triangulation beaucoup plus efficace que celle utilisant l'orbite terrestre. Ce déplacement des étoiles dû au mouvement propre du Soleil s'appelle la parallaxe séculaire.

 

C'est ainsi qu'en 1913, Ejnar Hertzsprung parvient à calculer la distance de quelques Céphéides et essaya de généraliser la formule de Henrietta Leavitt. Mais ses calculs furent erronés et c'est surtout Harlow Shapley qui est connu pour avoir repris le travail d'Hertzsprung, avoir ajouté ses propres observations de Céphéides, et généralisé la relation de Leavitt.

Malheureusement, à cette époque, on ignorait encore qu'il existe en fait deux sortes de Céphéides (les Céphéides de type I, plus jeunes, plus brillantes et plus métalliques et celles de type II, plus âgées et environ 4 fois moins brillantes) et c'est la raison pour laquelle, tous les calculs effectués grâce aux Céphéides furent erronées jusqu'à la découverte des deux types de Céphéides par Walter Baade en 1952 !

 

Ensemble, essayons de nous mettre dans la peau d'un astronome de l'époque, ayant tout juste réussi à calculer, par exemple que l'étoile delta Cephei, de magnitude moyenne 3,9 et de période 5,37 jours est située à 890 années lumières de la Terre.

La formule d'Henrietta Leavitt nous avait donné, pour les étoiles du petit nuage de Magellan :

 

Magn.Moyenne = (log(Période) - 7,65)/-0,47

 

Avec sa période de 5,37 jours, sa magnitude moyenne aurait été de (log(5,37) - 7,65)/-0,47=14,72 si cette Céphéide avait été dans le petit nuage de Magellan.

Nous avons donc un écart de 14,72 - 3,9 = 10,82 magnitudes.

 

Comme nous savons qu'un écart d'une magnitude correspond à un écart de luminosité de 2,51, alors un écart de 10,82 magnitudes correspond à un écart de luminosité de 2,5110,82=21 109. Donc si cette Céphéide s'était trouvée dans le petit nuage de Magellan, elle aurait été 21 109 fois moins brillante qu'elle n'est en réalité, et comme la brillance diminue avec le carré de la distance, alors on peut dire qu'elle est donc 145 fois plus proche que le petit nuage de Magellan.

Le petit nuage de Magellan est donc situé à 890 × 145 = 129 050 années lumières ! En réalité, sa distance est de 190 000 années lumière, mais c'est un bon ordre d'idée.

 

En Octobre 1923, après plusieurs mois d'observation grâce au télescope de 2,5 mètres du mont Wilson, Edwin Hubble découvre sa toute première étoile variable dans la nébuleuse d'Andromède. Il s'agit d'une Céphéide et elle est minuscule sur sa plaque photographique. Elle sera baptisée V1 et elle va révolutionner la vision que nous avions de l'Univers.

Regardez l'image ci-dessous : elle mous montre la galaxie d'Andromède. L'emplacement de la Céphéide V1 est agrandi en haut à droite grâce à des photographies récentes prises par le télescope spatial Hubble (joli hommage à Edwin !). On peut y voir sur une période d'un peu plus d'un mois, sa variation d'éclat.

En bas à droite, on voit la plaque photographique qu'a analysée et annotée Edwin Hubble le 6 Octobre 1923 pour identifier cette Céphéïde... Evidemment, c'était bien avant les télescopes d'aujourd'hui !

hubble-V1-1.JPG

Il faut savoir qu'en fait, il est plus facile d'identifier les étoiles sur un négatif où elles apparaissent noires, que sur une photographie standard où elles apparaissent blanches. C'est certainement le fonctionnement de notre cerveau qui veut cela. Regardez ci-dessous la même image d'Andromède en lumière normale et en négatif, et regardez comme sur le négatif, les étoiles noires semblent littéralement de détacher de l'image !

M31_comparaison_negatif.JPG

La Céphéide V1 qu'a détectée Hubble est de magnitude 19,4 ! C'est à dire qu'elle est 2,51(19,4 - 6)=226 792 fois moins brillante que la plus faible étoile visible à l'oeil nu ! C'est l'équivalent de l'éclat d'une bougie vue à une distance de 1 500 km !

Sa période est de 31,4 jours ce qui signifie que si cette étoile était dans le petit nuage de Magellan, selon la formule de Leavitt, sa magnitude aurait été de :

 

Magn.Moyenne = (log(31,4) - 7,65)/-0,47 = 13,1

 

Comme sa véritable magnitude est de 19,4, cela fait une différence de brillance de 2,5(19,4 - 13,1)=329.

Nous en déduisons donc que la nébuleuse d'Andromède est située √329=18,15 fois plus loin que le petit nuage de Magellan, soit à 2,323 millions d'année lumière ! En réalité, sa distance est de 2,54 millions d'années lumière.

 

Malheureusement, Shappley, en étalonnant la formule de Leavitt, avait ignoré un élément important :

L'existence de deux types de Cepheides. En effet, Shappley avait étudié notamment de nombreuses Céphéides des amas globulaires, qui contiennent des Céphéides de type II, 4 fois moins lumineuses que les Céphéides de type I, mais inclut dans son étude les Céphéides de type I observées par Leavitt... Par chance pour lui, les Céphéides de type I du petit nuage de Magellan étaient affectées par ce qu'on appelle l'absorption interstellaire....

L'absorption interstellaire vient du fait que l'univers entre les étoiles n'est pas totalement constitué de vide. Il contient des poussières, des gaz, qui, même très dispersés atténuent légèrement la lumière qui les traverse. En théorie, la luminosité dépendant de la surface de l'étoile, elle décroît avec le carré de la distance, mais à cause de l'absorption interstellaire, elle décroît légèrement plus rapidement.

Cette atténuation est plus forte dans le plan des galaxies ou elle peut diminuer la luminosité par 4 par rapport à une atténuation presque nulle dans le vide entre les Galaxies.

Ironie du sort, Shappley fut le premier à mettre en évidence cette absorption interstellaire, mais se concentrant sur les amas globulaires qui ne sont pas dans le plan de la Voie Lactée, il en conclut que cette absorption était négligeable... Au final, Shappley établit donc sans le savoir, une relation qui fonctionnait uniquement pour les Céphéides de type II.

 

Hubble, quant à lui, observe les Céphéides de la Galaxie d'Andromède. Il les observe comme nous l'avons vu sur sa photo dans les pourtours de la Galaxie, car son centre est trop dense pour y détecter individuellement les étoiles. Comble de malchance, si l'absorption interstellaire peut être négligée pour les étoiles de la Galaxie d'Andromède qui ne sont pas vues à travers le plan de notre galaxie, les zones de la périphérie d'Andromède contient essentiellement des Céphéides de type I...

Hubble va donc appliquer la relation de Shappley valables pour des Céphéides de type II aux étoiles de la périphérie de la galaxie d'Andromède qui sont des Céphéides de type I, environ quatre fois plus brillantes... Hubble estime donc une distance pour la galaxie d'Andromède deux fois plus petite que la réalité (il estime sa distance à 1 million d'années lumière) !

 

Il faudra attendre 1952 pour que Walter Baade, un astronome allemand, découvre finalement l'existence des deux types de Céphéides et ré-étalonne toutes les distances précédemment calculées !

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commentaires

?????? 29/12/2014 13:47

vous pouvez me répondre svp

?????? 29/12/2014 13:44

en kilometre quel est la distance entre la Terre et le galaxie d'Andromede

smartsmur 29/12/2014 17:26

Pour vous donner un ordre d'idée, sachez qu'avec nos sondes les plus rapides (comme Voyager II qui avance à 15 km/s et qui à cette vitesse ferait le tour de la Terre en 45 minutes ou parcourrait la distance Terre-Soleil en 4 mois), il faudrait 50 milliards d'années pour parcourir la distance qui nous sépare d'Andromède...
Et pourtant, c'est la galaxie la plus proche de nous !

smartsmur 29/12/2014 13:58

Bonjour,
La lumière voyage à 300 000 km/s. En une année, elle parcourt donc :
300 000 * 60 * 60 * 24 * 365.25 = 9 400 milliards de kilomètres
Andromède étant à 2,54 millions d'années lumières de la Terre, elle se trouve donc à :
9 400 000 000 000 * 2 540 000 = 24 000 000 000 000 000 000 km, c'est à dire 24 milliards de milliards de kilomètres !!!