26.1 : La découverte des galaxies
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Objectifs d'apprentissage
À la fin de cette section, vous serez en mesure de :
- Décrivez les découvertes qui ont confirmé l'existence de galaxies situées bien au-delà de la Voie lactée
- Expliquez pourquoi les galaxies étaient autrefois appelées nébuleuses et pourquoi nous ne les incluons plus dans cette catégorie
En grandissant à une époque où le télescope spatial Hubble gravite au-dessus de nos têtes et où des télescopes géants surgissent au sommet des grandes montagnes du monde, vous serez peut-être surpris d'apprendre que nous n'étions pas sûrs de l'existence d'autres galaxies depuis très longtemps. L'idée même de l'existence d'autres galaxies était autrefois controversée. Même dans les années 1920, de nombreux astronomes pensaient que la Voie lactée englobait tout ce qui existe dans l'univers. Les preuves découvertes en 1924 indiquant que notre Galaxie n'est pas seule ont été l'une des grandes découvertes scientifiques du XXe siècle.
Ce n'est pas que les scientifiques ne se posaient pas de questions. Ils ont remis en question la composition et la structure de l'univers dès le XVIIIe siècle. Cependant, avec les télescopes disponibles au cours des siècles précédents, les galaxies ressemblaient à de petites plaques de lumière floues difficiles à distinguer des amas d'étoiles et des nuages de gaz et de poussière qui font partie de notre propre galaxie. Tous les objets qui n'étaient pas des points lumineux pointus ont reçu le même nom, nébuleuses, le mot latin pour « nuages ». Comme leurs formes précises étaient souvent difficiles à déterminer et qu'aucune technique n'avait encore été mise au point pour mesurer leurs distances, la nature des nébuleuses a fait l'objet de nombreux débats.
Dès le XVIIIe siècle, le philosophe Emmanuel Kant (1724-1804) suggérait que certaines des nébuleuses pouvaient être des systèmes d'étoiles éloignés (d'autres Voies lactées), mais les preuves à l'appui de cette suggestion dépassaient les capacités des télescopes de l'époque.
Autres galaxies
Au début du XXe siècle, certaines nébuleuses avaient été correctement identifiées comme des amas d'étoiles et d'autres (comme la nébuleuse d'Orion) comme des nébuleuses gazeuses. La plupart des nébuleuses semblaient toutefois pâles et indistinctes, même avec les meilleurs télescopes, et leurs distances restaient inconnues. (Pour en savoir plus sur la façon dont ces nébuleuses sont nommées, d'ailleurs, voir l'encadré sur le nom des nébuleuses dans la section 20.1 du chapitre sur la matière interstellaire.) Si ces nébuleuses se trouvaient à proximité, à des distances comparables à celles des étoiles observables, il s'agissait très probablement de nuages de gaz ou de groupes d'étoiles au sein de notre Galaxie. Si, par contre, ils étaient éloignés, bien au-delà du bord de la Galaxie, il pourrait s'agir d'autres systèmes stellaires contenant des milliards d'étoiles.
Pour déterminer ce que sont les nébuleuses, les astronomes ont dû trouver un moyen de mesurer la distance entre au moins certaines d'entre elles. Lorsque le télescope de 2,5 mètres (100 pouces) du mont Wilson, dans le sud de la Californie, a été mis en service, les astronomes ont finalement obtenu le grand télescope dont ils avaient besoin pour régler la controverse.
À l'aide du télescope de 2,5 mètres, Edwin Hubble a pu identifier des étoiles individuelles dans plusieurs des nébuleuses spiralées les plus lumineuses, y compris M31, la grande spirale d'Andromède (Figure\(\PageIndex{1}\)). Parmi ces étoiles, il a découvert des étoiles faiblement variables qui, lorsqu'il a analysé leurs courbes lumineuses, se sont révélées être des céphéides. Voici des indicateurs fiables que Hubble pouvait utiliser pour mesurer les distances par rapport aux nébuleuses à l'aide de la technique mise au point par Henrietta Leavitt (voir le chapitre sur les distances célestes). Après un travail minutieux, il a estimé que la galaxie d'Andromède se trouvait à environ 900 000 années-lumière de nous. À cette distance énorme, il devait s'agir d'une galaxie d'étoiles distincte située bien en dehors des limites de la Voie lactée. Aujourd'hui, nous savons que la galaxie d'Andromède est en fait un peu plus de deux fois plus éloignée que la première estimation de Hubble, mais sa conclusion quant à sa véritable nature reste inchangée.
Personne dans l'histoire de l'humanité n'avait jamais mesuré une distance aussi grande. Lorsque l'article de Hubble sur les distances par rapport aux nébuleuses a été lu avant une réunion de l'American Astronomical Society le premier jour de 1925, toute la salle a éclaté sous la forme d'une ovation debout. Une nouvelle ère s'ouvrait dans l'étude de l'univers et un nouveau domaine scientifique, l'astronomie extragalactique, venait de naître.
Edwin Hubble : Expansion de l'univers
Fils d'un agent d'assurance du Missouri, Edwin Hubble (Figure\(\PageIndex{2}\)) a terminé ses études secondaires à l'âge de 16 ans. Il a excellé dans le sport, remportant des lettres en athlétisme et en basket-ball à l'université de Chicago, où il a étudié les sciences et les langues. Son père et son grand-père souhaitaient toutefois qu'il fasse des études de droit et il a cédé aux pressions de sa famille. Il a reçu une prestigieuse bourse Rhodes à l'université d'Oxford en Angleterre, où il a étudié le droit avec un enthousiasme mitigé. De retour aux États-Unis, il a passé un an à enseigner la physique et l'espagnol au lycée ainsi qu'à entraîner le basket-ball, tout en essayant de déterminer l'orientation de sa vie.
L'attraction de l'astronomie s'est finalement révélée trop forte pour résister, et Hubble est donc retourné à l'université de Chicago pour des études supérieures. Alors qu'il était sur le point de terminer ses études et d'accepter une offre de travail sur le télescope de 2,5 mètres qui devait bientôt être achevé, les États-Unis sont entrés dans la Première Guerre mondiale et Hubble s'est enrôlé comme officier. Bien que la guerre ait pris fin à son arrivée en Europe, il a suivi une formation d'officier plus poussée à l'étranger et a bénéficié d'un bref moment d'études astronomiques supplémentaires à Cambridge avant d'être renvoyé chez lui.
En 1919, à l'âge de 30 ans, il a rejoint le personnel du mont Wilson et a commencé à travailler avec le plus grand télescope du monde. Fort de son expérience, énergique, discipliné et habile observateur, Hubble a rapidement développé certaines des idées les plus importantes de l'astronomie moderne. Il a montré que d'autres galaxies existaient, les a classées en fonction de leurs formes, a trouvé un modèle de mouvement (et a ainsi placé la notion d'un univers en expansion sur une base d'observation solide) et a entamé un programme permanent visant à étudier la distribution des galaxies dans l'univers. Bien que quelques autres aient aperçu des pièces du puzzle, c'est Hubble qui a tout assemblé et a montré qu'il était possible de comprendre la structure à grande échelle de l'univers.
Son travail a valu à Hubble une grande renommée et de nombreuses médailles, récompenses et diplômes honorifiques. À mesure qu'il est devenu plus connu (il a été le premier astronome à faire la couverture du magazine Time), lui et sa femme ont noué et cultivé des amitiés avec des stars de cinéma et des écrivains du sud de la Californie. Hubble a joué un rôle déterminant (excusez le jeu de mots) dans la planification et la construction du télescope de 2,5 mètres sur le mont Palomar, et il avait commencé à l'utiliser pour étudier les galaxies lorsqu'il est décédé d'un accident vasculaire cérébral en 1953.
Lorsque les astronomes ont construit un télescope spatial qui leur permettrait d'étendre les travaux de Hubble à des distances dont il ne pouvait que rêver, il semblait naturel de le nommer en son honneur. Il était normal que les observations effectuées à l'aide du télescope spatial Hubble (et ses travaux fondamentaux sur l'expansion de l'univers) aient contribué au prix Nobel de physique 2011, décerné pour la découverte de l'accélération de l'expansion de l'univers (un sujet que nous aborderons dans le chapitre sur le Big Bang).
Résumé
De faibles amas d'étoiles, des nuages de gaz incandescents et des galaxies apparaissaient tous sous forme de faibles plaques de lumière (ou nébuleuses) dans les télescopes disponibles au début du XXe siècle. Ce n'est que lorsque Hubble a mesuré la distance jusqu'à la galaxie d'Andromède à l'aide de variables céphéides à l'aide du réflecteur géant de 2,5 mètres sur le mont Wilson en 1924 que l'existence d'autres galaxies similaires à la Voie lactée en termes de taille et de contenu a été établie.