L’astronomie moderne
Le tournant du XXe siècle s’accompagne d’avancées techniques qui décuplent nos capacités d’observations, et de découvertes majeures qui transformeront profondément notre vision et notre compréhension de l’univers.
L’astrophotographie
Les premières photographies de la Lune, du Soleil et des étoiles datent du milieu du XIXe siècle, avec notamment le premier daguerréotype de la Lune par John William Draper en 1840, puis la révélation des tâches solaires par Léon Foucault et Hippolyte Fizeau. Mais c’est en 1880 que Henry Draper (fils de John William) réalise la première photo de la nébuleuse d’Orion. On prend alors conscience que les capacités d’accumulation de la plaque photographique permet de révéler des détails ou des objets inaccessibles jusqu’alors. La photographie devient prépondérante et remplace rapidement les observations visuelles dans le monde professionnel.
Puis en 1887, l’Observatoire de Paris lance, sous l’impulsion de son directeur Ernest Mouchez, un vaste projet de cartographie du ciel sur la base de plaques photographiques. C’est un projet international qui a sollicité 18 observatoires de par le monde. Près de 5 millions d’étoiles seront ainsi précisément positionnées. A noter que les tâches d’analyse seront majoritairement réalisées par des femmes, les fameuses « calculatrices » (qui seront également appelées « dames de la Carte du ciel » dans le cadre de ce projet). Ce projet durera jusque dans les années 1960 sans jamais être véritablement achevé (il sera supplanté par des méthodes de cartographie plus modernes).
La spectroscopie
Jusqu’alors, l’observation du ciel reposait exclusivement sur le domaine visible. Mais d’autres possibilités d’observation émergent au XIXe et au XXe siècle. Dès 1666, Isaac Newton avait découvert que la lumière « blanche » pouvait se décomposer en couleurs. Ce « spectre » de couleurs va au delà de la lumière visible, notamment dans le domaine des « infrarouges » découverts par William Herschel en 1800. Puis les ultraviolets sont découverts en 1801, de même que la nature ondulatoire de la lumière par Thomas Young.
En 1814, Joseph Von Fraunhofer découvre les « raies d’absorption » dans le spectre solaire, puis invente le spectroscope l’année suivante. En 1859, le chimiste Robert Bunsen et le physicien Gustav Kirchhoff comprennent l’association des éléments chimiques à des émissions de longueur d’onde précise. C’est la naissance de la spectroscopie. Puis en 1868, Jules Janssen analyse le spectre de la lumière solaire et y découvre un nouvel élément chimique, l’hélium. La spectroscopie permet de connaitre la composition chimique des étoiles et nébuleuses à distance, ce qui révolutionne la compréhension de leur constitution et de leur formation.
L’univers au delà de la Voie Lactée
En 1875, notre Voie Lactée est alors comprise comme étant un ensemble dense d’étoiles et d’autres objets. Cet ensemble est aplati, en rotation, avec notre Système Solaire situé vers son centre. Mais la nature des nébuleuses fait débat. Font-elles partie de la Galaxie ou sont-elles en dehors ? Harlow Shapley a fait une cartographie détaillée de la Voie Lactée, mesurant les distances grâce à la relation distance/luminosité des étoiles variables céphéides, découverte par Henrietta Leavitt, permettant de fournir les premières estimations réalistes de sa taille gigantesque (elle est estimée alors à 300 000 années-lumière). Shapley détermine également que son centre est situé dans la direction du Sagittaire, et donc que la Terre est plutôt en périphérie.
Mais Shapley pense que la Voie Lactée est tout notre Univers, contenant tous les objets observés, alors que d’autres astronomes comme Heber Doust Curtis pensent notamment que les nébuleuses spirales sont externes. Ce « Grand Débat » perdurera un certain temps et ne trouvera sa conclusion qu’en 1924 grâce aux observations de Edwin Hubble qui établira, toujours en utilisant les céphéides, que la nébuleuse d’Andromède et celle du Triangle sont très éloignées de notre propre Voie Lactée. Les « Univers Îles » de Curtis sont désormais eux aussi des Galaxies comme la nôtre.
La relativité et le Big Bang
Parallèlement, Michelson et Morley découvrent en 1887 que la lumière a une vitesse constante, indépendante de la direction. Albert Einstein fait de cette mesure un postulat fondamental et en déduit la Relativité Restreinte puis Générale. Cette théorie révolutionne notre compréhension de la nature même de l’Univers, avec la notion d’espace-temps, et redéfinit ce qu’est la gravitation, supplantant les lois de Newton qui avaient cours depuis 300 ans.
La relativité permet en effet de répondre à plusieurs anomalies observationnelles que les lois de Newton ne pouvaient expliquer, comme la précession de l’orbite de Mercure. Elle postule également que même la lumière est déviée par la déformation de l’espace-temps due à un puits gravitationnel, ce qui sera confirmé par Arthur Eddington en 1919 lors d’une éclipse de Soleil, validant expérimentalement la Relativité Générale. Le changement apporté est comparable à la révolution copernicienne, car cette théorie ouvre la voie à une modélisation de l’univers entier.
Plusieurs scientifiques comme Karl Schwarzschild tentent alors d’interpréter cette toute nouvelle théorie. Ce dernier postule en 1916 une solution aux équations d’Einstein qui implique une singularité gravitationnelle, que l’on appellera plus tard un « trou noir« .
Mais la rupture la plus marquante résulte aussi indirectement des observations de Vesto Slipher, qui observe les décalages vers le rouge des spectres lumineux des galaxies dès 1912. Ce phénomène, rappelant l’effet Doppler (celui qui fait qu’une sirène de pompiers change de ton selon que le camion s’approche ou s’éloigne), suggère que les galaxies s’éloignent de nous, et même les unes des autres.
Il se trouve que l’interprétation de la théorie de la Relativité Générale conduit également à postuler un univers « non stationnaire », qui peut être en « expansion ». Ce postulat est développé par Alexandre Friedmann en 1922. Puis Georges Lemaître aura l’idée de jouer le scénario à l’envers pour postuler un univers plus dense et plus chaud dans le passé. Il fait alors l’hypothèse d’un « Atome Primitif ». Ce scénario sera longtemps réfuté par plusieurs astronomes dont Fred Hoyle qui en 1949 raille le concept au micro de la BBC en parlant de « Big Bang« . Pourtant, ce modèle sera développé et confirmé au fil du temps. Il sera raffermi et enrichi par George Gamow en 1948 (avec son étudiant Ralph Alpher), en intégrant la nucléosynthèse primordiale.
Les développements de la physique quantique et de l’astrophysique théorique indiquent alors qu’aux tout début de sa formation, la densité de matière devait être telle que la lumière ne pouvait pas se propager dans l’espace. Ce n’est que 380 000 ans après le « Big Bang » que la densité en baisse aurait enfin permis aux photons de voyager librement.
Ralph Alpher et Robert Hermann postulent alors que le « flash » lumineux résultant de cette première lumière doit pouvoir être observé aujourd’hui sous la forme d’un résidu froid, justement grâce à l’expansion…
La radioastronomie
En 1932, Karl Jansky découvre les ondes radio d’origine galactique, suivi de Grote Reber. Ces découvertes révèlent toute une série d’objets qui n’avaient pas encore été détectés. On peut citer en particulier les étoiles à neutrons, dont les « pulsars« , découverts par Jocelyn Bell en 1967, puis les « quasars« , dont le premier a été identifié en 1963 par Maarten Schmidt. Ces derniers sont des sources radio très énergétiques liées à une contrepartie optique quasi ponctuelle (d’où le nom de « quasi stellar object ». ). Il sera établi plus tard qu’il s’agit de noyaux actifs de galaxies très distantes, parmi les objets les plus énergétiques de l’Univers observable.
On découvrira notamment un pulsar au cœur de la nébuleuse du Crabe – les restes de la supernova de l’an 1054, celle-là même que les astronomes chinois avaient méticuleusement consignée dans leurs annales du Moyen Âge. Pour en savoir plus sur l’histoire de la nébuleuse du Crabe, c’est >>par ici<<.
Puis en 1964, deux ingénieurs travaillant sur les transmissions radio pour le laboratoire Bell, Arno Penzias & Robert Wilson, identifient un « bruit de fond » dans leurs mesures, qu’ils n’arrivent pas à éliminer. Ils viennent de découvrir le fond diffus cosmologique, le fameux « flash » lumineux d’Alpher et Hermann, tellement dilaté qu’il s’observe dans le domaine radio ! Le modèle du Big Bang tient une belle preuve de sa validité !
Ainsi, dans la seconde moitié du XXe siècle, l’univers est gigantesque, il a lui-même une histoire, il est âgé de plusieurs milliards d’années, et il n’a pas toujours existé – en tout cas sous sa forme actuelle. Mais l’histoire ne s’arrête pas encore là…