Comment mesurer les distances dans l'espace? - Yuan-Sen Ting

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Lorsque nous regardons le ciel, nous avons une vue à plat, en deux dimensions. Alors, comment les astronomes figurent les distances des étoiles et des galaxies de la Terre? Yuan-Sen Ting nous montre comment parallaxes trigonométriques, bougies standard et plus nous aident à déterminer la distance des objets de plusieurs milliards d'années lumière de la Terre.

Il n'y a pas plus rapide que la lumière.

Elle est si rapide que l'on mesure
d'immenses distances

en calculant le temps qu'elle met
à les parcourir.

En une année, la lumière parcourt
environ 10 000 milliards de km.

on appelle ça une année-lumière.

Pour vous donner une idée
de cette distance,

la Lune, ralliée par les astronautes
d'Apollo en 4 jours,

n'est qu'à 1 seconde-lumière de la Terre.

L'étoile la plus proche de notre soleil,
Proxima du Centaure,

est à 4,24 années-lumière de nous.

Notre voie lactée se parcourt
en 100 000 années-lumière.

La galaxie la plus proche de la nôtre,
Andromède,

est à 2 500 000 années-lumière.

L'espace est incroyablement vaste.

Mais attendez, comment connaît-on
les distances jusqu'aux étoiles ?

Au fond, quand on regarde le ciel,
on a une vision plane, en deux dimensions.

En pointant du doigt une étoile,
on ne peut pas calculer de distance.

Alors, comment font les astrophysiciens ?

Pour les objets rapprochés,

on peut utiliser un concept
appelé parallaxe trigonométrique.

L'idée est assez simple.

Faisons-en l'expérience.

Levez le pouce face à vous
et fermez l’œil droit.

Puis ouvrez l’œil gauche
et fermez le droit.

Votre pouce semble avoir bougé,

alors que les objets au second plan
n'ont pas changé de place.

Ce même principe s'applique
à l'observation des étoiles,

mais la distance jusqu'à elles
est toute autre que la longueur d'un bras,

et la Terre n'est pas bien grande,

donc même en plaçant des télescopes
tout au long de l'équateur,

on ne verrait
aucune différence de position.

On privilégie donc l'observation
des positions stellaires sur six mois,

soit la moitié de l'orbite annuelle
de la Terre autour du Soleil.

Mesurer les positions relatives
des étoiles en été,

puis à nouveau en hiver,
équivaut à regarder de l'autre œil.

Les astres proches semblent
s'être déplacés sur l'arrière plan,

constitué des étoiles
et galaxies lointaines.

Mais ce calcul ne s'applique qu'aux objets
distants de milliers d'années-lumière.

Au-delà de notre galaxie,
les distances sont si grandes

que le parallaxe est trop infime pour être
détecté par nos meilleurs instruments.

A ce stade, il faut compter
sur une autre méthode

en employant des indicateurs
appelés "standard candles".

Il s'agit d'objets dont l'éclat,
ou la luminosité,

nous sont familiers.

Par exemple,
si on connaît l'éclat d'une ampoule

et que l'on demande à un ami
de s'éloigner avec cette ampoule,

on sait que la lumière que l'on reçoit

diminuera avec l'éloignement.

Donc en comparant la lumière reçue

à la lumière intrinsèque de l'ampoule,

on peut estimer la distance
à laquelle est notre ami.

En astronomie, l'ampoule équivaut
à une sorte d'étoile précise

appelée Céphéide variable.

Ces étoiles ont un cœur instable,

comme un ballon qui se gonfle
et se dégonfle sans arrêt.

Et puisque ces expansions et
contractions affectent leur éclat,

on peut calculer leur luminosité
en mesurant la durée de ce cycle,

sachant que les étoiles plus lumineuses
varient plus lentement.

En comparant la lumière
que renvoient ces étoiles

à l'éclat intrinsèque calculé
de cette façon,

on peut déterminer leur distance.

Malheureusement, ce n'est pas si simple.

On ne peut observer les étoiles
que jusqu'à 40 000 000 années-lumière,

car après elles sont trop floues
pour ce calcul.

Mais heureusement, nous avons
une autre sorte de "standard candle" :

la fameuse supernova de type 1a.

Ces explosions stellaires géantes
marquent la mort d'une étoile.

Leur lumière est telle

qu'elle surpasse celle
des galaxies environnantes.

Donc même si on ne peut pas distinguer
d'étoiles dans une galaxie,

on peut tout de même
y voir des supernovas.

Les supernovas de type 1a
sont des "standard candles" efficaces

car plus elles sont brillantes,
plus elles s'éteignent lentement.

Grâce à notre compréhension
de ce rapport

entre la luminosité et la durée du déclin,

nous utilisons ces supernovas
pour estimer des distances

jusqu'à des millions de millions
d'années-lumière de nous.

Mais à quoi cela sert-il de voir
des objets aussi lointains?

Prenons la vitesse de la lumière.

Par exemple, la lumière du Soleil
prend 8 minutes à nous parvenir,

ce qui veut dire que l'on voit une lumière
émise par le soleil 8 minutes plus tôt.

Quand on regarde la Grande Ourse,

on la voit telle qu'elle était
il y a 80 ans.

Et ces galaxies voilées ?

Elles sont à des millions
d'années-lumière de nous.

Leur lumière a mis des millions d'années
à nous parvenir.

L'univers fonctionne donc comme
une machine à voyager dans le temps.

Plus on remonte dans le temps,
plus on sonde un univers jeune.

Les astrophysiciens tentent de décrypter
l'histoire de l'univers

et de comprendre comment et
pourquoi nous sommes apparus.

L'univers est une source continue
d'informations lumineuses.

Il ne nous reste plus qu'à les décoder.