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Hubble pourra mesurer les distances d'étoiles plus lointaines

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L'un des découvreurs de l'énergie noire, le prix Nobel de physique Adam Riess, vient de donner un nouveau souffle à la méthode de la parallaxe en compagnie de son collègue Stefano Casertano. En utilisant Hubble de façon ingénieuse, les deux chercheurs ont étendu d'un facteur dix le domaine d'application de la méthode d'Hipparque pour évaluer les distances en astronomie.

Une illustration d'artiste du bond que vient de faire la méthode de la parallaxe grâce à Hubble. Introduite en astronomie par Hipparque il y a plus de 2.000 ans, elle permet d'estimer la distance des astres dans le Système solaire et dans la Voie lactée. © Nasa, Esa, A. Feild

Comme l'explique Michel Serres dans le deuxième épisode de Tours du monde, tours du ciel, célèbre documentaire de la fin des années 1980, l'astronomie scientifique et la géométrie se sont étroitement développées l'une par l'autre dans les mains des savants Grecs de l'Antiquité. C'est le mathématicien et astronome Hipparque, peut-être le fondateur de la trigonométrie, qui a semble-t-il utilisé pour la première fois la méthode dite de la parallaxe pour mesurer les distances des planètes dans le Système solaire. Mais c'est Copernic qui le premier a eu l'idée de transposer la méthode à l'échelle des étoiles. Les tentatives en ce sens restèrent vaines jusqu'au début du XIXe siècle, lorsque Friedrich Bessel réussit enfin, en 1838, à mesurer la parallaxe de 61 Cygni.

La méthode est simple : il suffit de mesurer le changement de position apparent d'une étoile sur la sphère céleste au cours de l'année. Comme on peut le voir sur le schéma ci-dessous, la simple mesure de l'angle p, la parallaxe, à deux positions sur l'orbite terrestre formant une base triangulaire, permet de connaître la distance de l'étoile à notre Système solaire, si l'on connaît la distance moyenne Terre-Soleil, la fameuse unité astronomique (UA).

La méthode la parallaxe, illustrée ici, ne permettait pas de faire des mesures de distance précises au-delà de quelques centaines d'années-lumière. Hubble permet maintenant d'estimer des distances de plusieurs milliers d'années-lumière sans problème. © Nasa, Esa, A. Feild

La mesure des distances, une clé de l'astronomie

Toutefois, cette méthode ne fonctionne bien que pour des étoiles relativement proches, comme Alpha du Centaure ou Tau Ceti. Elle devient de moins en moins précise avec la distance et de plus en plus difficile à mesurer, car p devient de plus en plus petit. Il existe en réalité toute une série de méthodes qui prennent le relais, en s'appuyant les unes sur les autres, au fur et à mesure que l'on sonde l'espace profond dans la Voie lactée et au-delà.

Pour faire simple, la méthode de la parallaxe permet d'abord de calculer la distance des étoiles variables particulières que sont les céphéides. On peut relier la magnitude absolue de ces étoiles à la variation périodique de leur luminosité. En mesurant leur luminosité apparente, on peut en déduire leur distance. Avec la méthode de la parallaxe, on calibre la méthode de mesure des distances basée sur les céphéides, ce qui permet d'évaluer des distances dans toute la Voie lactée et au-delà. Pour les galaxies lointaines, les céphéides servent à leur tour à calibrer d'autres chandelles standard, comme on dit en astronomie. Ainsi, via ce que l'on appelle la loi de Tully-Fisher, il est possible de connaître la luminosité intrinsèque des galaxies spirales qui vont alors jouer dans le royaume des galaxies le même rôle que les céphéides. On peut se servir de cette loi pour calibrer des mesures de distance à l'échelle cosmologique au moyen des supernovae SN Ia.

Comme l'incertitude sur la valeur exacte des distances peut croître, il est vital d'essayer d'augmenter autant que faire se peut la précision sur les estimations de distance pour assurer de bonnes bases à tout l'édifice de l'astrophysique et de la cosmologie.

Quelques méthodes d'estimation des distances en astronomie sont présentées ici. Elles prennent appui les unes sur les autres. On commence par estimer avec un radar des distances de planètes dans le Système solaire. La taille de l'orbite terrestre permet alors d'appliquer la méthode de la parallaxe pour mesurer les distances de céphéides à quelques milliers d'années-lumière du Soleil. Les céphéides sont ensuite employées pour estimer les distances entre les galaxies jusqu'à environ une centaine de millions d'années-lumière. La loi de Tully-Fisher et les supernovae SN Ia prennent ensuite le relais pour des distances de l'ordre du milliard d'années-lumière. © Open University

Les céphéides, éléments précieux pour la cosmologie

Nul doute que l'un des astronomes les plus sensibilisés à cette nécessité d'avoir des mesures de distances de plus en plus précises est le prix Nobel de physique Adam Riess, l'un des codécouvreurs de l'expansion accélérée de l'univers sous l'effet de la mystérieuse énergie noire. Le chercheur vient de publier un article sur arxiv avec ses collègues dans lequel les astronomes exposent les résultats d'une nouvelle méthode pour mesurer la parallaxe des étoiles dans la Voie lactée. Plus de 2.000 ans après son application par Hipparque, la méthode de la parallaxe était jusqu'ici limitée en efficacité aux étoiles distantes de quelques centaines d'années-lumière. Mais en utilisant de façon ingénieuse la Wide Field Camera 3 de Hubble, les astronomes viennent d'étendre sa portée à plusieurs milliers d'années-lumière. Ils ont pu mesurer la distance d'une céphéide à environ 7.500 années-lumière du Soleil, SY Aurigae dans la constellation du Cocher.

Au lieu d'empiler les images de la céphéide prises à six mois d'intervalle, lorsque la Terre était en des positions opposées de part et d'autre du Soleil, Riess et ses collègues ont enregistréà chaque fois le mouvement de l'étoileavec laWide Field Camera 3, ce qui donnait des segments de droite. Ces segments permettaient d'avoir plus facilement accès à un subtil décalage de position causé par la parallaxe de l'étoile. En traitant correctement les images obtenues, il devenait possible de faire des mesures de position avec une précision de l'ordre du millième de la taille d'un pixel de ces images.

Dans les années à venir, 18 autres céphéides vont être étudiées. Les mesures obtenues devraient permettre d'améliorer la méthode d'évaluation des distances dans l'univers basée sur ces étoiles et donc, au bout du compte, toutes les méthodes permettant de sonder l'univers profond. Il sera alors peut-être possible de mieux comprendre la nature de l'énergie noire.

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