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29 septembre 2013 7 29 /09 /septembre /2013 00:00

Hubble restera, un peu à la manière de Copernic ou de Galilée, comme celui qui a découvert et prouvé l'existence des "Univers îles", ou plus simplement des autres galaxies, remettant notre Voie Lactée au rang de Galaxie parmi tant d'autres... Nous avons vu cette découverte dans le chapitre précédent.

Mais Hubble sera surtout connu pour la découverte qui va suivre et qui va changer encore d'avantage notre vision de l'univers !

 

Un débat existe à l'époque sur la dynamique de l'Univers. En 1915, Einstein a énoncé sa célèbre relativité générale et une des déductions logique est l'expansion de l'univers... Einstein lui-même n'y croit pas et pense que l'univers est statique. D'autres ne sont pas de son avis... mais encore faut-il le prouver...

 

En 1929, grâces aux Céphéides, et à son télescope de 2,5 m du mont Wilson, Hubble était capable de déterminer la distance des galaxies les plus proches. Il était même capable, grâce à l'effet Doppler, de connaitre les vitesses auxquelles se rapprochaient ou s'éloignaient ces galaxies.

Ainsi, il put mesurer les vitesses de 46 galaxies, mais il ne parvint qu'à déterminer la distance de 24 d'entre elles. Leur distance se situait jusqu'à 2 millions de parsecs, c'est à dire 6,6 millions d'années-lumière.

 

Voici ce qu'il trouva :

 

TABLEAU INITIAL FAIT PAR HUBBLE   VRAIES VALEURS
Nom Nom Messier Distance (millions parsecs) Vitesse (km/s)   Distance (millions parsecs) Erreur de Hubble (x) Vitesse (km/s) Erreur de Hubble(%)
S. Mag.   0,032 170   0,06 0,48 158 -7,6%
L. Mag.   0,034 290   0,05 1,44 279 -3,9%
N.G.C.6822   0,214 -130   0,50 2,34 -57 -128,1%
N.G.C. 598 M33 0,263 -70   0,73 2,77 -179 60,9%
N.G.C. 221 M32 0,275 -185   0,76 2,78 -200 7,5%
N.G.C. 224 M31 0,275 -220   0,78 2,83 -301 26,9%
N.G.C. 5457 M101 0,45 200   6,44 14,31 241 17,0%
N.G.C. 4736 M94 0,5 290   4,91 9,81 308,1 5,9%
N.G.C. 5194 M51 0,5 270   7,05 14,1 463 41,7%
N.G.C. 4449   0,63 200   3,71 5,89 207 3,4%
N.G.C. 4214   0,8 300   3,07 3,83 291 -3,1%
N.G.C. 3031 M81 0,9 -30   3,62 4,02 -33,9 11,5%
N.G.C. 3627 M66 0,9 650   11,04 12,26 727 10,6%
N.G.C. 4826 M64 0,9 150   7,36 8,18 408,3 63,3%
N.G.C. 5236 M83 0,9 500   4,51 5,01 513 2,5%
N.G.C. 1068 M77 1 920   14,41 14,41 1137 19,1%
N.G.C. 5055 M63 1,1 450   11,34 10,31 504 10,7%
N.G.C. 7331   1,1 500   12,26 11,15 816 38,7%
N.G.C. 4258 M106 1,4 500   7,27 5,19 448 -11,6%
N.G.C. 4151   1,7 960   13,18 7,76 995 3,5%
N.G.C. 4382 M85 2 500   18,40 9,2 729 31,4%
N.G.C. 4472 M49 2 850   17,17 8,58 997,8 14,8%
N.G.C. 4486 M87 2 800   16,40 8,2 1308 38,8%
N.G.C. 4649 M60 2 1090   16,86 8,43 1117,8 2,5%

 

Occupons nous dans un premier temps des valeurs trouvées par Hubble, à gauche du tableau. Mises sous forme d'un graphique voici ce que cela nous donne :

 

loi-de-Hubble.PNG

On voit, que globalement, plus une galaxie est éloignée de nous, et plus elle s'éloigne de nous avec une vitesse élevée. Bien entendu, il ne s'agit que d'une tendance étant donné que les galaxies possèdent, tout comme les étoiles, leur mouvement propre. Mais pour généraliser, il est capable de tracer une ligne (en gris) représentant l'augmentation moyenne de la vitesse des galaxies en fonction de la distance. Il obtient :

 

Vitesse = 500 × distance en Millions de parsec = H0 × d

 

H0 est appelé la constante de Hubble et vaut donc (lorsque Hubble l'a calculée pour la première fois) 500 Km/s/Mpc.

Einstein avait imaginé un univers statique et immobile, la preuve était faite qu'il n'en était rien. Si toutes les galaxies s'éloignent de nous avec une vitesse proportionnelle à leur distance, c'est donc que l'univers est en expansion : il grossit, en quelques sortes.

 

Mais comment s'expliquer cette expansion ?

J'aurais facilement tendance à me dire que, si toutes les galaxies s'éloignent en suivant cette loi, c'est donc la preuve que la Terre est au centre de l'Univers, non ? sinon elles devraient s'éloigner plus vite dans une direction (la direction opposée à celle de la Terre) ? et puis si l'univers grossit, c'est donc la preuve que sa taille est finie, mais on n'a jamais pu en observer les bords !!

 

Pour mieux comprendre ce qu'est l'expansion de l'univers, effectuons le parallèle suivant :

 

Expension-univers.PNGImaginons une colonie de fourmis vivant sur un ballon. La surface du ballon constitue donc l'univers des fourmis qui est un univers en deux dimensions (la fourmi ne peut se déplacer que devant-derrière ou droite-gauche) qui est incurvé dans une troisième dimension.

Au début, chaque fourmi observe ses voisines. Chaque fourmi est séparée de la suivante d'une distance D.

Le ballon se gonfle doucement jusqu'à doubler de rayon au bout d'un temps T. Naturellement, son diamètre a aussi été multiplié par deux et en conséquence la distance entre les fourmis.

Ainsi que va observer et penser la fourmi n°3 :

"Au début, les fourmis 2 et 4 étaient à une distance D, et au bout du temps T, leur distance est passée à 2D. La fourmi 2 et la fourmi 4 s'éloignent donc de moi à la vitesse V = D/T.

Les fourmis 1 et 5 étaient à une distance 2D, et au bout du temps T, leur distance est passée à 4D. Elles s'éloignent donc de moi à une vitesse V = 2D/T.

Donc plus les fourmis sont éloignées de moi, et plus elles s'éloignent vite de moi, et cela dans toutes les directions."

La fourmi n°3 qui aime les problèmes mathématique continue alors à réfléchir :

"Tout cela est amusant, et les vitesses des autres fourmis par rapport à moi me force à penser qu'au temps -T, elles devaient toutes être dans mon entourage propre. Comme il n'y a finalement que moi qui ne bouge pas, alors c'est la preuve que je suis au centre de notre univers de fourmis."

Le souci, c'est qu'en réalité, toutes les fourmis sont immobiles, mais pourtant elles s'éloignent les unes des autres, et enfin, chacune des fourmis fera la même constatation que la fourmi 3 et chacune pensera que toutes les fourmis sont parties à l'origine de son emplacement...

La fourmi n°3 ne voit pas de bords à son univers... en fait, il n'en a pas, mais malgré tout sa taille est finie... Si la fourmi part tout droit, elle fera le tour de son univers et reviendra à son point de départ en ayant l'impression d'avoir été tout droit !

 

Eh bien c'est exactement ce qui arrive à notre univers, mais en ajoutant une dimension. Remplacez les fourmis par les galaxies, la surface en deux dimensions du ballon par les trois dimensions de notre univers et enfin la troisième dimension dans laquelle le ballon est courbé et dans laquelle il se gonfle par une quatrième dimension dans laquelle notre univers est courbé et se gonfle...

Et tout comme des fourmis pour lesquelles la troisième dimension est un concept qu'ils ne connaissent pas et du coup ne peuvent pas se schématiser la courbure du ballon, la notion de quatrième dimension nous est aussi totalement inconnue et constitue un concept que nous notre cerveau ne peut s'imaginer...

 

Observez bien la fourmi 5 qui, pour aller rendre visite à la fourmi 1 devra passer par toutes les autres fourmis : en trois dimensions, il serait plus rapide pour elle de passer par le centre du ballon.... pensez-bien à cela, car c'est peut-être la même chose à notre échelle...

D'ailleurs, le concept non vérifié des trous de vers est né de cette constatation :

Pour la fourmi, le trou de ver serait le chemin passant par le centre du ballon... et d'ailleurs en compressant le ballon entre mes mains, je pourrai rapprocher encore la fourmi 1 de la fourmi 5 de manière à ce que le passage par le centre du ballon soit encore plus court... Mais pour cela, il faut savoir replier l'espace dans la dimension supérieure et aujourd'hui, seule l'épice du roman "Dune" de Frank Herbert permet cela !

 

Un peu plus haut, la fourmi 2 se disait qu'au temps -T, toutes les fourmis devaient être au même endroit... En fait, si je sais qu'une galaxie située à une distance D, s'éloigne de moi à la vitesse V, alors il lui a fallu un temps T = D/V pour parcourir la distance qui me sépare d'elle aujourd'hui. Or, comme V = H0.D, alors

 

T = D/H0.D = 1/H0

 

Bon, pour que la formule fonctionne, il faut quand même exprimer H0 dans une unité un peu plus convenable. En effet, des km/s/Mpc, ce n'est pas très homogène... Une unité du style km/s/km serait un peu mieux...

Un parsec (ou parallaxe seconde) est en fait la distance d'un objet dont la parallaxe serait d'une seconde. Dit autrement, c'est la distance à laquelle il faut s'éloigner pour que la distance Terre - Soleil fasse un angle de 1 seconde d'arc.

D'où 1 méga parsec = 1 000 000×150 000 000/tan(1/3600) = 3,09×1019 km

 

et donc

T (secondes) = 3,09×1019 / H0

et

T (milliards d'année) = (3,09×1019⁄31 557 600×109)/ H0 = 980 / H0

 

 

Avec la valeur H0 = 500 km/s/Mpc trouvés par Hubble, cela nous donne 1,97 Milliards d'années.

Donc les galaxies s'éloignent les unes des autres, et il y a 1,97 Milliards d'années, elles étaient toutes au même endroit... La théorie de l'explosion fit alors véritablement son apparition, et par là, la détermination de l'âge de l'univers...

Mais il y avait des soucis assez importants. Tout d'abord, si la loi de Hubble était pratiquement avérée, la théorie du Big Bang n'était qu'une théorie et demandait à être prouvée. Et puis, un petit détail d'importance tout de même, on avait, en 1950 évalué l'âge de certaine roches de la Terre  à plus de 4 milliards d'années... donc la Terre était plus vieille que l'univers ! Cela ne tenait pas debout.

 

Il fallut attendre 1964 et la découverte par deux radio-astronomes (les deux américaine Arno Allan Penzias et Robert Woodrow Wilson) du fond diffus cosmologique, ou rayonnement fossile.

Ils recevront le prix Nobel de physique en 1978 pour cette découverte.

 

Qu'est-ce que le fond diffus cosmologique ?

Dans les tous premiers instants qui suivirent le Big Bang, tout l'univers était si dense qu'aucune lumière ne pouvait en sortir. Passé en dessous d'une certaine température (estimée à 3000 K), l'univers est devenu transparent et a commencé à émettre ses premières lumières dans toutes les directions.

Dans l'annexe consacrée à la température et la composition des étoiles, vous apprenez qu'un corps chauffé à 3000 K émet une lumière avec une intensité maximale à une longueur d'onde de 966 nanomètres.

Donc, A partir d'une certaine date (estimée à 380 000 ans après le Big Bang), l'univers s'est mis à émettre de la lumière correspondant à une température de 3000 K, soit avec une intensité maximale pour une longueur d'onde de 966 nm.

Cela est vérifié par la loi du déplacement de Wien qui nous dit que la longueur d'onde d'intensité maximale dépend de la Température selon la formule :

λmax = 0,002898/T

Depuis, bien entendu, l'univers, comme notre ballon de baudruche, a grossi, étirant tout avec lui, y compris la longueur d'onde des tous premiers photons qui avaient été émis. Au début du Big Bang, l'expansion de l'univers a été fulgurante, probablement plus rapide que la vitesse de la lumière, pour s'être relativement stabilisée ensuite. Après 380 000 ans, l'univers devait donc déjà avoir une taille respectable (probablement de plusieurs millions d'années-lumière), et depuis, sa taille a du augmenter à peu près d'un facteur 1000.

Cette première lumière émise dans la longueur d'onde de 966 nm a donc du être étirée d'un même facteur de 1000 fois, pour être aujourd'hui d'environ 966 micromètres, soit environ 1 millimètre. Une longueur d'onde d'1 millimètre correspond au rayonnement d'un corps d'une température de

T = 0,002898/λmax = 0,002898/0,001=2,898 K

Donc, si la théorie du Big bang est vraie, on devrait entendre, venant de toutes les directions, une sorte de bruit de fond correspondant à la lumière produite par un corps à la température de quelques Kelvin. Ce bruit de fond est appelé rayonnement fossile, ou fond diffus cosmologique.

 

En 1964, donc, Penzias et Wilson détectent pour la première fois un bruit de fond en calibrant leur antenne (l'une des plus puissantes à l'époque). Ce bruit de fond, correspondant à une température de 2,7 K est la même quelle que soit la période de l'année, et quelle que soit la direction dans laquelle on regarde. Il n'y avait aucun doute, ce bruit de fond était émis par l'univers tout entier. La théorie du Big Bang venait pour la première fois d'être vérifiée.

 

En conséquence, cela devenait officiel : l'âge de l'univers peut être déduit directement de la constante de Hubble qui devait être fausse étant donné qu'elle donnait à l'univers un âge moins grand que celui de la Terre !

 

Vint alors la compréhension des différents types de Céphéides, et l'amélioration des moyens de mesure des distances par triangulation pour recalculer les chiffres qu'avaient trouvés Hubble dans son tableau. 

 

 

Si on regarde maintenant les colonnes de droite de notre tableau, on voit que, si Hubble n'a que rarement commis plus de de 20% sur le calcul des vitesses relatives, en revanche, il a totalement sous-estimé leur d'instance d'un facteur moyen de plus de 8 !!!

Conservons sur un nouveau graphique en blanc les points trouvés par Hubble et affichons les véritables valeurs qu'il aurait dû trouver s'il avait réussi à calculer la véritable distance des galaxies (vous vous souvenez qu'à l'époque, la méthode des Céphéides n'était pas encore tout à fait au point) en noir....

loi-de-Hubble-2.PNG

Vous voyez que l'augmentation moyenne est toujours linéaire, mais plustot de la forme :

la Vitesse = 60 × distance en Millions de parsec

 

Avec cette nouvelle valeur, l'âge de l'univers est alors estimé à

 

T (milliards d'année Années) = 980 / 60 = 16,3 milliards d'années

 

Aujourd'hui, la constante de Hubble est estimée à 72 km/s/Mpa, soit un âge de l'univers estimé à 13,6 milliards d'années

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commentaires

David 23/01/2017 14:24

Ce blog est illisible et c'est dommage car il semble très intéressant.
L'image de fond est magnifique, mais malheureusement, les caractères noirs sont extrêmement difficile à lire.
David

astronomie-smartsmur 23/01/2017 19:03

Bonjour David et merci pour vitre commentaire ! Des que je rentre devacances je vais tâcher d'ameliorer crla ;)