Le cosmos contemporain : l'espace
La taille de l’Univers est, pour ainsi dire, inconcevable
La taille de l’Univers est demeurée pendant longtemps une énigme à laquelle les astronomes ont dû faire face. Ainsi, très tôt dans l’Histoire, on s’est demandé à quelle distance de la Terre se trouvait la Lune, le Soleil et les autres astres. Avec le temps, les astronomes ont découvert que l’Univers est toujours plus grand qu’on ne l’imagine. Alors que les Anciens croyaient que les étoiles étaient fixées sur une voûte céleste pas si lointaine, les astronomes d'aujourd'hui savent que l’Univers est si grand que ses frontières sont inconnues.
Au IIIe siècle av. J.-C., l’astronome grec Aristarque de Samos tenta de déterminer le rapport entre la distance Terre-Lune et la distance Terre-Soleil au moyen de l’angle de visée entre la Lune et le Soleil au moment du premier quartier de Lune. Sa méthode, basée sur des données imprécises, lui indiqua que le Soleil devait être environ 20 fois plus éloigné de la Terre que la Lune. Même si on sait aujourd'hui que le Soleil est environ 400 fois plus loin que la Lune, ce résultat était néanmoins révolutionnaire pour l’époque puisqu’il permettait d’établir que le Soleil est beaucoup plus gros et éloigné qu'on ne le pensait auparavant.
Quelques décennies plus tard, un autre astronome grec, Hipparque de Nicée, réussit un véritable exploit scientifique en estimant la distance Terre-Lune avec une erreur de moins de 10%. C’est au moyen du temps que met la Lune à traverser l’ombre de la Terre lors d’une éclipse de Lune et de calculs géométriques ingénieux qu’il parvint à ce résultat. Il se basa aussi sur les travaux d’Eratosthène qui, antérieurement, avait quant à lui réussi à estimer la circonférence de la Terre à 42 000 km (la circonférence réelle est de 40 000 km).
La première méthode de calcul fiable fut mise au point en 140 par l’astronome grec Claude Ptolémée. En utilisant un procédé géométrique simple, Ptolémée démontra comment la méthode de la parallaxe peut être utilisée pour calculer la distance nous séparant des astres.
Il faudra cependant attendre près de deux millénaires que les instruments d’observation astronomiques se développent et s’améliorent pour que des mesures encore plus précises de parallaxes puissent être faites. Ainsi, la distance moyenne séparant la Terre du Soleil (que l’on nomme une « unité astronomique ») fut mesurée de façon précise pour la première fois en 1672 par l’astronome français d’origine italienne Jean-Dominique Cassini et l’astronome français Jean Richer. C’est par des observations simultanées de Mars depuis Paris et la Guyanne française qu’ils y parvinrent.
C’est à l’astronome allemand Friedrich Bessel que revient l’honneur d’avoir mesuré pour la première fois la distance d’une étoile (autre que le Soleil). En 1838, il réussit à évaluer la distance de l’étoile 61 du Cygne à environ 11 années-lumière.
De nos jours, les astronomes disposent de plusieurs méthodes pour mesurer les distances. Pour les objets situés à l’intérieur de la Voie lactée, la plupart des méthodes utilisées dérivent de la méthode de la parallaxe. Pour les objets situés au-delà de notre galaxie, les astronomes utilisent les étoiles céphéides variables (nommées d’après l’étoile Delta Cephei), un type d’étoile qui voit toujours sa brillance varier de la même façon.
Une autre méthode pour mesurer les distances galactiques fait intervenir les supernovae de type 1a, des étoiles dégageant toujours lors de leur explosion une quantité d’énergie similaire. On les compare ainsi à des «bombes standards» : des explosions de force et de luminosité connues. La mesure de leur brillance apparente nous permet donc d’établir leur distance.
Grâce à ces méthodes de mesures astronomiques, nous savons aujourd’hui que la taille de l’Univers est inconcevable. À titre d’exemple, la lumière qui nous parvient des galaxies les plus éloignées prend plus de 10 milliards d’années à nous parvenir. Il est bien sûr impossible de se faire une idée concrète de ce que cela peut représenter. Nous pouvons toutefois tenter d’y parvenir, en commençant par visualiser quelque chose de plus petit, comme notre système solaire, par exemple.
Le système solaire se compose du Soleil, de toutes les planètes tournant autour de lui ainsi que de millions de corps plus petits. Le nuage de Oort, un immense réservoir de comètes centré sur le Soleil, en marque la limite extérieure; son diamètre est d’environ 1,6 année-lumière. Une année-lumière, rappelons-le, correspond à environ 10 000 milliards de kilomètres.
Si l’on fait correspondre la taille de Pluton, la plus petite et la plus éloignée des planètes du système solaire, à une tête d’épingle de 1 millimètre de diamètre, le Soleil aurait alors la taille de deux ballons de plage (de 30 centimètres chacun) et se trouverait à 2,6 kilomètres de la tête d’épingle. En plaçant le Soleil à Vancouver, la limite extérieure du nuage de Oort se trouverait à Saint-Jean (Terre-Neuve)!
Notre système solaire se trouve dans la galaxie spirale de la Voie lactée. On estime que celle-ci contient environ 200 milliards d’étoiles rassemblées en forme de disque. Le diamètre de la Voie lactée est de 100 000 années-lumière; à cette échelle, la taille du système solaire est insignifiante. Si l’on fait cette fois correspondre la taille du système solaire (soit 1,6 années-lumière) à une tête d’épingle, la Voie lactée aurait la taille d’une patinoire de hockey!
La Voie lactée fait partie d’un groupe de galaxies qui se nomme le Groupe Local; on y dénombre plus de 35 galaxies. La galaxie d’Andromède, qui est visible dans le ciel à l’œil nu lors des nuits sans Lune ni pollution lumineuse, en est le membre le plus grand. Les autres galaxies du groupe, comme le Grand et le Petit Nuage de Magellan, sont en général plus petites que la Voie lactée.
Le Groupe Local s’étend sur un volume dont le diamètre est d’environ 10 millions d’années-lumière et dont le centre se trouve entre la galaxie d’Andromède et la Voie lactée. En faisant toujours correspondre la taille du système solaire à une tête d’épingle et notre galaxie à patinoire de hockey, le Groupe Local aurait donc un diamètre de 6,25 kilomètres.
Le Groupe Local fait lui-même partie d’un superamas de galaxies, le Superamas Local. Le Superamas Local contient des douzaines de petits amas de galaxies comme le Groupe Local. Tout le Superamas Local est centré sur l’amas de galaxies géant de la Vierge, situé à 50 millions d’années-lumière de la Voie lactée. L’amas de la Vierge possède en son centre une super galaxie « cannibale », appelée M87, qui attire et absorbe ses galaxies voisines.
Les superamas de galaxies sont quant à eux regroupés en de longs filaments qui s’étirent sur des centaines de millions d’années-lumière. Ils sont séparés les uns des autres par d’immenses vides dans lesquels on ne trouve que très peu de galaxies. Les dimensions de ces vides sont gigantesques : elles sont de l’ordre de 100 millions d’années-lumière. L’Univers se prolonge de la sorte jusqu’à au moins 13 milliards d’années-lumière. Au-delà de cette distance, nous ne pouvons observer directement ce qu’il y a.
En nous faisant voyager de la Terre jusqu’aux amas de galaxies, la vidéo qui suit illustre la place que nous occupons dans le cosmos.
