Un grain de poussière

Texte de l'épisode
Introduction

Après la vie mouvementée de Kepler et maintenant que nous avons balayé plusieurs aspects de la connaissance humaine de l'astronomie, je te propose de faire un résumé des connaissances et des inconnues.

Nous savons que la Terre tourne autour du Soleil, à la manière d’autres astres du même type, d’autres planètes, dont certaines ont des lunes, comme Jupiter par exemple.

Nous avons des formules mathématiques qui permettent de savoir où se trouve toutes les planètes connues, leur vitesse et nous pouvons ainsi prévoir des phénomènes astronomiques futurs.

Nous avons une vague idée qu’il existe un phénomène permettant d’attirer les planètes vers le soleil et les lunes vers les planètes et de les faire tourner comme une pierre au bout d’un ficelle… mais ce qui compose la ficelle est totalement inconnu.

Concernant les dimensions, seules quelques règles de proportions ont été apportées par Kepler, il avait découvert que la distance entre les planètes s'accroît en proportion de leur distance au Soleil, mais sans donner de dimension.

Quelle est donc la taille du système solaire et des astres qui le compose ?

Estimée à 10.000x le rayon terrestre par Archimède, il variera de 380 à 1520 selon les scientifiques et les époques… ce qui veut dire que personne ne sait vraiment.

Transit de Vénus et l’unité astronomique

Si Kepler avait souligné l'événement prochain, le transit de Vénus, c’est que connaissant les proportions des orbites et surtout les vitesses de déplacement, il est possible alors de mesurer la distance qui nous sépare du Soleil en comparant les observations depuis deux points éloignés sur la Terre.

Je vais te faire grâce des mathématiques et surtout de la géométrie qui explique ce calcul, mais je peux t’expliquer facilement sa base.

Je suppose qu’un jour d’ennui, ou dans un film 3D, tu as déjà fait l’expérience de voir certains objets de la scène que tu regardes, alterner leur position de gauche à droite lorsque tu fermes un oeil puis l’autre.

Plus l’objet est prêt, plus la différence de position sera importante. Plus l’objet est loin, plus il restera immobile lorsque tu changes d’oeil.

C’est d’ailleurs le même phénomène qui fait que les poteaux du train défilent vite mais les objets à l’horizon semblent lents ou immobiles.

Et plus impressionnant encore, c’est aussi ce qui fait que tu as l’impression que la Lune te suit lorsque tu voyages de nuit.

Ce phénomène a un nom : c’est ce qu’on appelle la parallaxe.

Maintenant que tu as ce principe physique en tête, dis-toi que c’est grâce à ça que l’on mesure les distances dans l’espace.

Mais si à quelques kilomètres, les objets semblent immobiles lorsqu’on est en mouvement, comment mesurer la distance d’objets aussi lointains que le soleil ou même des étoiles ?

C’est simple : plus les deux points d’observations sont éloignés, plus la mesure est précise.

Les 10-12 cm qui séparent nos yeux en moyenne ne sont bien évidemment pas suffisants.
Pour mesurer l’unité astronomique, il faut séparer les points d’observation de milliers de kilomètres et observer le phénomène de manière simultané.

Actuellement ce n’est pas un problème particulièrement compliqué à résoudre : Tu peux au choix faire appel à un observatoire au bout du monde avec un simple email ou envoyer un second observateur avec lequel vous vous synchronisez à l’aide d’horloges précises disponibles presque gratuitement.

Mais souvenons-nous à quelle époque les premières observations tentent d’être effectués : 1631.

Je dis bien “tentent” car si les Kepler avait prédit avec succès le transit de Mercure en novembre 1631, il n’avait pas déterminé l’orientation de la Terre pour le transit de Vénus, en décembre de cette même année.
Pas de chance : au moment du transit, il fait nuit en Europe, ce qui, je le rappelle, est la définition de l’absence de visibilité du Soleil, ce qui compromet l’observation d’un corps passant devant notre étoile.

En tout cas, cela a le mérite de prouver que Kepler et ses tables sont justes.

En 1639, 8 ans plus tard, un anglais du nom de Horrocks calcule grâce à ces dernières, les prochains transits mais ce n’est que près de 4 décénnies plus tard que l’idée de l’utiliser pour mesurer la distance terre-soleil émerge dans l’esprit d’un certain Halley.

En effet en 1677, sur l’île de Sainte-Helène , la même où sera détenu Napoléon près de 140 ans plus tard, le jeune Halley observe le transit de Mercure prédit par Horrocks.

(Oui Halley, celui-là même qui a une comète à son nom. Encore un scientifique brillant dont je pourrai parler longtemps, mais nous allons nous concentrer sur une toute petite partie de sa vie.)

Malgré un temps passable, Halley arrive à mesurer le temps mis par Mercure pour effectuer son passage devant le Soleil.

Je sais pas comment tu imagines les transits planétaires, mais il y a quelques détails qu’il faut que je te précise :
Pour commencer, on ne parle pas d’éclipse car la planète ne représente qu’un point, plus petit qu’une tâche solaire qui défile devant le soleil durant quelques heures.
Ensuite, la trajectoire ne trace pas le diamètre de notre étoile, mais il s’agit d’une corde, coupant le soleil en deux parts très inégales.

Ce que Halley intuite alors, c’est que deux astronomes placés en deux latitudes très différentes, ne verront pas cette trajectoire de transit au même endroit.

Comme à l’époque, les photos n’existent pas, afin de savoir où se situe la ligne, il suffit de mesurer le temps mis par la planète pour traverser le disque solaire.
Comme elle se déplace à vitesse constante, plus long est le temps, plus proche du centre passe la planète, et inversement.

Par de savants calculs, connaissant la distance séparant les astronomes et la différence d’observation, il sera alors possible de déterminer non seulement la distance qui nous sépare du soleil, mais aussi les dimension du système solaire entier.

La distance qui sépare Mercure du Soleil est trop petite pour que la mesure puisse être exploitable, en revanche, Venus permettrait une mesure précise.

Seul problème : Venus ne transite que 2 fois par siècle, et ne repassera devant le soleil qu’en 1761 et 1769 et Halley sait pertinemment qu’il ne sera plus de ce monde à aucune de ces dates.

Halley lance alors un appel en 1716 pour que le prochain transfert de Vénus, prévu en 1761, soit observé par tous les astronomes disponibles et volontaires, notamment pour l’observer depuis des points très éloignés : arctique en amérique du Nord, Golfe du bengale à l’est de l’Inde, tropiques…
Outre les distances, une mesure du temps précise est aussi requise.

Halley garantit qu’avec une précision à 2 seconde près, la distance sera précise à 1/500e près, soit à + ou - 300 000Km. Cela peut paraître beaucoup mais je te rappelle que la lumière du soleil met 8 minutes à nous atteindre, c’est donc une excellente précision à l’échelle astronomique.

La campagne de mesure de 1761 donnera une fourchette de valeurs trop large pour être exploitable (entre 8.3 et 10.6 secondes d’arc).

Heureusement, durant le transit suivant en 1769, la mesure est plus fiable et la plage de valeur réduite : entre 8.43 et 8.8, ce qui définit une distance Terre-Soleil égale à 24000 fois le rayon de la Terre à l'équateur.

Mais nous sommes encore loin de la précision de 1/500e annoncée par Halley et ce n’est qu’après de multiples passage et de multiples siècles que cette valeur sera enfin plus proche de la réalité, soir 23 455 rayons équatoriaux.

On sait désormais comment les distances du système solaire ont été mesurées. Et cette technique de la parallaxe est encore utilisée aujourd’hui pour la mesure des distances qui nous séparent des étoiles proches… sauf qu’au lieu de se déplacer sur la Terre, les distances étant trop faibles, les mesures sont faites à différents moment de l’année, exploitant le déplacement de notre planète elle-même pour plus de précision.

L’échelle de l’Univers

Mais avançons dans le temps jusque dans les années 1920, durant lesquelles a lieu le “Grand débat” dont on connaît surtout le débat de Shapley-Curtis qui eut lieu au musée d’histoire naturelle du smithsonian, à washington lors duquel ces deux scientifiques ont rendu chacun des thèses contradictoires toutes deux intitulées “l’échelle de l’univers”.

Malgré la précision des instrument d’observation qui n’a jamais été aussi fine, il reste dans le ciel des objets flous dont on sait qu’ils ne sont pas liés aux télescopes. On les appelle les nébuleuses.

Toi tu sais ce qu’est une nébuleuse, un nuage de matière gigantesque provenant de l'explosion d’une ancienne étoile et éclairé par des étoiles naissantes… Sauf que tout ce qui est flou n’est pas forcément une pépinière d’étoiles.

A l’époque, on a bien avancé dans la compréhension de notre galaxie, la voie lactée, dont on a mesuré la distance de bien des étoiles.

L’objet du grand débat est assez simple à présenter, mais la réponse n’est pas évidente : l’univers observable est-il limité à la seule Voie Lactée ?
Peut-on observer des étoiles qui n’en font pas partie ?

Il y a deux nébuleuses qui font polémique : deux nébuleuses en forme de spirale, dont une que l’on voit de haut et dont on pourrait parfaitement observer la rotation.

D’un côté Shapley était d’avis que l'entièreté de l’Univers était contenu dans la voie lactée. L’un de ses argument était que si les nébuleuses étaient hors de notre galaxie, les calculs indiquent une distance bien trop grande, de l'ordre de cent millions d’années lumière, ce qui est mille fois plus grand que notre galaxie.
De plus, Shapley observa que l’une des galaxie était en mouvement et que si ce mouvement était perceptible à ces échelles de grandeur, cela impliquerait que des éléments se déplacent plus vite que la lumière.
Enfin, une nova, l'apparition d’une étoile brillante et fugace, a déjà surpassé l’éclat de la nébuleuse elle-même, ce qui aurait été impossible s’il s'agissait bien d’une galaxie, requérant bien trop d’énergie.

A l’inverse, Curtis théorise que ces nébuleuses sont d’autres galaxies, ou d’autres “îlots d’univers”, pour reprendre le terme d'emmanuel Kant qui l’avait imaginé cette éventualité deux siècles plus tôt.
De plus, le nombre de novas observées dans ces nébuleuses et bien supérieur au nombre observé dans la voie lactée. Pourquoi y aurait il plus de novas dans cette partie du ciel que dans le reste ?
Prudent, il concéda que si les observation de Curtis concernant la vitesse de rotation de la galaxie étaient justes, il aurait simplement tort.

Or, depuis 1919, Edwin Hubble est en poste à l’observatoire du mont Wilson en californie, observatoire qui dispose du plus grand télescope, du petit nom de Hooker, construit deux ans plus tôt. Avec ses 2.5m de diamètre, il sera le plus grand du monde jusqu’en 1949.

Pour vérifier la véracité de l’une ou l’autre des théories, il va utiliser un type particulier d’étoiles : les céphéides.
Elles ont comme première particularité d’émettre une lumière qui pulse sur une période allant d’un à 100 jours, au lieu d’être constante, comme la majorité des étoiles.
Mais la seconde particularité est que leur luminosité est directement proportionnelle à leur période.
Une étoile qui a une période de 3 jours aura toujours la même luminosité, et sera d’ailleurs moins lumineuse qu’une étoile avec une période de 10 jours.

Ce rapport de proportion est tellement net que de la période, il est facile de déterminer la luminosité de l’étoile.

Or, la lumière étant dispersée dans toutes les directions, plus l’étoile est loin, plus la lumière qui nous parvient est ténue car une faible proportion de la lumière émise touche la Terre, ou en l'occurrence le téléscope.

Connaissant la luminosité nominale des céphéides, il est alors possible de déduire la distance en fonction de sa luminosité apparente.

Elle sont en un sens les balises de notre univers.

C’est comme cela qu’Hubble démontra que, ce que nous connaissons désormais comme la galaxie d’andromède et la galaxie du moulinet, sont bien des soeurs de notre voie lactée, et que l’univers est donc bien plus grand que nous pouvions l’imaginer.

Hubble observa bien d’autres galaxies et les classa en grandes familles : les galaxies elliptiques, en spirale barrées ou non et lenticulaires.
La voie lactée est une galaxie spirale par exemple, comme les ¾ des galaxies observées.

Mais les observation d’Hubble sont allées plus loin encore : il mesure la distance de 24 galaxies, leur vitesse d’éloignement par rapport à nous.

Pour comprendre comment mesurer la vitesse d’éloignement, imagine le passage d’une sirène de police, ou de pompier. Elle semble plus aigue quand ils se rapproche et devient plus grave en s’éloignant.

La lumière réagit pareil. on peut donc déterminer la vitesse d’éloignement selon à quel point la lumière part “dans les basses fréquences”, ce qui en lumière visible est le rouge.

Étonnamment, en mesurant ces 24 galaxies, il s'aperçut que systématiquement, plus les galaxies étaient éloignées, plus elles partaient dans les basses fréquences. Le fameux redshift que j’avais déjà évoqué.

Mais contre toute attente, il n’y vit qu’une simple corrélation, dont il tira tout de même une constante, et laissa le soin aux autres d’y trouver une explication.

Ce n’est que quelques années plus tard que cette simple curiosité fut reconnue comme un nouveau clous dans le cercueil de l’égo de l’humain.

En plus d’être gigantesque, plus grand que nous pouvons nous le représenter, l’univers est en plus en expansion constante.

Et s’il est en expansion et que l'on rembobine le fil de l’histoire, cela implique que l’univers tenait en un point… mais tu sais déjà tout ça.
Conclusion
Voici qui conclut la grande frise historique de la place de l’humanité dans l’univers. Nous sommes passés du centre du monde à n’être qu’une des planètes, tournant autour de l’une des étoiles de l’une des galaxies d’un Univers qui grandit toujours, et de plus en plus.

Si l’astronomie nous a appris une chose c’est que notre système solaire n’est même pas un grain de poussière à l’échelle du cosmos. Alors que dire de notre Terre ou de nous, humains.

Si ça peut paraître déprimant, la première fois, sache que pour moi, cela veut dire que nous sommes libres.
Pas de destin, pas de but à atteindre ou d’objectif à accomplir, rien qui nous rende spéciaux. Nous pouvons donc profiter de notre brève existence comme nous l’entendons, et choisir nos buts.

Et notamment, nous pouvons chercher à savoir comment il fonctionne, pour mieux en admirer la beauté, comme on aime à observer le mécanisme harmonieux et précis d’une horloge.

Et ce sera d’ailleurs la dernière partie de notre aventure : comment sommes-nous passés de prédire les mouvements des astres à en comprendre la cause ?

Une co-production de

Phil_Goud : Texte et narration
Redscape : Mise en musique, mixage

Génériques (Début+Fin) : “Euphotic” Carbon Based Lifeforms (Interloper) 2015 Blood Music
Avec l’aimable autorisation de Carbon Based Lifeforms pour la réutilisation de sa musique.
Voix du générique : Karine

Crédits musiques

“Venia” Ben Lukas Boysen (Mirage) 2020 Erased Tapes Records
“Olson” Boards Of Canada (Music Has Right To Children) 1998 Warp Records
“Grandma’s Appearance” Hydras Dream (The Little Match Girl) 2014 Denovali Records
“Faith In Strangers” Andy Stott (Faith In Strangers) 2014 Modern Love
“Galaxy Song” Monty Python (Galaxy Song) 1983 CBS

Les artistes

Ben Lukas Boysen : https://benlukasboysen.com
Boards Of Canada : https://bleep.com/artist/78-boards-of-canada
Hydras Dream : https://www.facebook.com/hydrasdream
Andy Stott : https://en.wikipedia.org/wiki/Andy_Stott
Monty Python : https://en.wikipedia.org/wiki/Monty_Python

Crédit image

Greg Rakozy https://unsplash.com/photos/0LU4vO5iFpM