L'unité de mesure de distance des astronomes

En astronomie, les distances entre les objets célestes comme les étoiles et les galaxies sont très grandes. La distance qui nous sépare de la Lune, par exemple, notre plus proche voisine, est en moyenne de 385 000 kilomètres. Le Soleil, quant à lui, se trouve en moyenne à 150 millions de kilomètres de nous et l'étoile la plus proche, Proxima du Centaure, à quelque 40 000 milliards de kilomètres.

Afin d'éviter d'avoir à manipuler des chiffres trop longs, une unité de distance adaptée à l'échelle de l'Univers est vite devenue une nécessité. Une unité de distance souvent employée en astronomie est l'année-lumière. Une année-lumière correspond à la distance parcourue par la lumière en un an, soit 9 460 milliards 730 millions 472 milles 581 kilomètres, c'est-à-dire environ 10 000 milliards de kilomètres.

La création de cette unité de distance ne s'est pas faite du jour au lendemain. Il fallait d'abord déterminer la vitesse de la lumière afin de connaître la distance qu'elle parcourt en un an.

Avant 1676, la majorité des scientifiques pensaient que la lumière se déplaçait de façon instantanée d'un point à un autre. En 1676, le physicien danois Ole Christensen Rømer est le premier à démontrer que ce n'est pas le cas et que la lumière a une vitesse finie.

En 1671, Rømer commence à observer les satellites de Jupiter et à mesurer le temps séparant chaque moment où une lune (particulièrement Io) disparaît derrière la planète géante et réapparaît du côté opposé. En accumulant les données année après année, il constate que la durée séparant chacune des éclipses est plus courte lorsque la Terre est proche de Jupiter et plus longue lorsqu'elle en est loin. En 1675, l'astronome français Jean-Dominique Cassini, dont Rømer est l'assistant, propose que la différence est due au temps que la prend la lumière à nous parvenir depuis Jupiter. Cependant, il se ravise rapidement et abandonne cette hypothèse.

Rømer, au contraire, poursuit dans cette veine et estime que la lumière prend 22 minutes à parcourir le diamètre de l'orbite terrestre (on sait aujourd'hui que la vraie valeur est d'environ 16 minutes et 40 secondes). Si Rømer avait calculé la vitesse de la lumière à partir de ses propres données, il aurait obtenu à l'époque 135 000 kilomètres à la seconde, en bonne partie parce que le diamètre de l'orbite terrestre était mal connu. Avec le diamètre actuel, il aurait obtenu 214 000 kilomètres à la seconde; la valeur acceptée aujourd'hui étant de 299 792 kilomètres à la seconde.

Il faut attendre 1729 pour que la communauté astronomique soit en majorité convaincue que la lumière possède une vitesse finie. L'astronome britannique James Bradley publie alors une étude qui démontre que la variation annuelle observée dans la position des étoiles est liée à la vitesse de la lumière. Il estime que celle-ci se déplace à 301 000 kilomètres à la seconde, ce qui est très proche de la valeur actuellement acceptée.

En 1838, l'astronome allemand Friedrich Wilhelm Bessel (et non l'astronome écossais Thomas Henderson, comme on le laisse parfois supposer) est le premier à utiliser l'année-lumière comme unité de mesure en astronomie. Il mesure la distance nous séparant de l'étoile double 61 Cygni et obtient 10,3 années-lumière. L'avantage de l'année-lumière comme unité de mesure est non seulement qu'elle permet de quantifier la distance, mais aussi la durée de temps qu'il a fallu à la lumière pour nous parvenir. Ainsi, si 61 Cygni se trouve à 10,3 années-lumière de la Terre, c'est-à-dire à 97 445 523 867 584 kilomètres de nous, on peut également affirmer que la lumière qu'elle nous transmet a pris 10,3 années à nous parvenir. Nous la voyons donc telle qu'elle était alors. C'est pourquoi la lumière nous permet de voir dans le passé et que les télescopes sont en quelque sorte des "machines à voyager dans le temps". Les galaxies très lointaines qu'on peut maintenant observer à des distances de 10 à 12 milliards d'années-lumière sont également dans cette situation : elles nous apparaissent telles qu'elles étaient il y a 10 ou12 milliards d'années, c'est-à-dire peu après le Big Bang.

Activité Année lumière