La vitesse des galaxies est déterminée grâce à l`effet Doppler

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UNIVERS
GÉNÉRALITÉS
DÉFINITION
L’Univers est l’ensemble de tout ce qui existe. L’homme s’est occupé de
cosmologie (du grec kosmos, Univers, et logos, discours, et donc « discours sur
l’Univers ») dès l’aube de la civilisation. À la différence des cosmologies anciennes,
fondées sur le mythe, la cosmologie moderne s'appuie sur des observations
astronomiques très précises et sur les lois de la physique pour élaborer des
théories de l’Univers, vérifiables par des observations toujours plus approfondies.
Cette façon de procéder, caractéristique de la méthode scientifique moderne,
permet de comprendre de façon de plus en plus détaillée l’Univers dans lequel
nous vivons et son évolution.
CARACTÉRISTIQUES
La cosmologie moderne répond à des questions telles que : Quelles sont les
dimensions de l’Univers ? Quel âge a-t-il ? Est-il statique ou évolue-t-il ? S’étendra-
t-il à l’infini ou s’effondrera-t-il sur lui-même ? Quelle est sa densité moyenne ? De
quelle matière est-il constitué ? De quelle façon et à quel moment se sont formés
les objets que nous observons aujourd’hui ?
Les galaxies, des agglomérats de dizaines ou de centaines de milliards d’étoiles
semblables à notre Soleil, sont les constituants les plus visibles de notre Univers.
La cosmologie étudie l’Univers « à grande échelle », c’est-à-dire la distribution et
l’évolution des objets constituant l’Univers, c'est-à-dire les galaxies et les amas de
galaxies. En revanche, l’étude du fonctionnement de chaque objet (galaxie), et des
étoiles qui les constituent, est du ressort de l’astrophysique. Les dimensions
typiques des galaxies et des amas de galaxies sont respectivement de centaines de
milliers d’années-lumière et de plusieurs millions d’années-lumière (une année-
lumière = la distance parcourue par la lumière en une année = 9 460 milliards de
km). Par Univers à grande échelle, on entend donc l’Univers étudié en négligeant
les « détails » dont la taille est inférieure au million d’années-lumière.
La théorie actuellement la plus accréditée en ce qui concerne la description de
l’Univers est la théorie du big bang, grande explosion initiale ayant eu lieu il y a
environ 15 milliards d’années. Selon cette théorie, l’Univers a connu un état initial
extrêmement dense et chaud. À partir de cet état, il aurait connu un mouvement
d'expansion, qui aurait eu pour effet un refroidissement progressif. Au cours des
premiers instants, les photons ainsi que toutes les particules élémentaires que nous
connaissons peuplaient le milieu, puis, à travers une série de réactions nucléaires,
les premiers noyaux, hydrogène, hélium et autres éléments légers présents
aujourd’hui dans l’Univers se seraient synthétisés. Pendant un million d’années,
l’Univers a été tellement chaud que les atomes (noyaux d’atomes accompagnés de
leur cortège d’électrons) ne pouvaient pas se former. Il a fallu attendre un million
d’années après le big bang pour que, l’Univers s’étant suffisamment refroidi, les
premiers atomes (les atomes d’hydrogène et d’hélium principalement) se forment,

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et que la matière ordinaire commence à s’agréger sous l’effet de la force
d’attraction gravitationnelle. Au bout d'un milliard d’années environ, les premiers
objets isolés, les quasars, puis les galaxies, se sont formés.
Cette théorie a deux grands mérites. Elle ne nécessite pas l’introduction de lois
nouvelles, en plus des lois connues de la physique vérifiables en laboratoire, et elle
rend compte des trois observations cosmologiques les plus importantes, c'est-à-dire
la récession des galaxies (qui est due à l’expansion de l’Univers), la présence du
rayonnement de fond cosmologique fossile (dû aux photons qui se sont formés aux
premiers instants) et l’abondance d’hélium dans l’Univers (qui correspond assez
fidèlement à l’abondance calculée au cours de la synthèse des premiers noyaux,
dans les trois premières minutes).
Puisque la lumière a une vitesse finie, de 300 000 km/s, il est possible d’utiliser les
télescopes comme des « machines à remonter le temps ». Par exemple, nous
observons aujourd’hui la galaxie d’Andromède telle qu’elle était il y a deux millions
et demi d’années, quand l’Homo sapiens n’existait pas encore sur la Terre. En effet,
c’est le temps que la lumière a mis pour arriver jusqu’à nous, en parcourant la
distance de 2 millions et demi de kilomètres qui nous séparent de cette galaxie. Des
galaxies encore plus éloignées sont observées telles qu’elles étaient à des époques
plus reculées encore. Si l’Univers est né à un certain moment (15 milliards d’années
selon la théorie du big bang), il s’ensuit que nous ne pouvons en observer qu'une
partie seulement. En effet, les régions de l’Univers éloignées de plus de 15 milliards
d'années-lumière de nous, ne sont pas observables, simplement parce que la
lumière qu’elles produisent mettrait un temps plus grand que l’âge de l’Univers pour
arriver jusqu’à nous. Il existe donc un « horizon », de 15 milliards d'années-lumière
de dimension, qui sépare l’Univers observable du reste de l’Univers qui, en réalité,
pourrait être infiniment étendu. En outre, il est évident que, en utilisant le télescope
comme une « machine à remonter le temps », on peut observer les galaxies au
moment de leur formation, et, plus loin encore (lorsque l’Univers n’était âgé que
d’un million d’années), par l'étude du rayonnement cosmologique fossile. Ce sont là
les thèmes de recherche sur lesquels travaillent actuellement les cosmologistes, qui
tentent de donner une réponse au problème de l’évolution de l’Univers et au
problème de la naissance et de l’évolution des galaxies.
STRUCTURE ET COMPOSITION
DISTRIBUTION DES GALAXIES ET STRUCTURE À GRANDE ÉCHELLE
Amas et superamas
Les galaxies sont regroupées en amas de galaxies, groupes contenant des
centaines de milliers de galaxies. Dès les années 50, Fritz Zwicky et George Abell
avaient catalogué une dizaine de milliers d’amas de galaxies, répartis en groupes
(contenant quelques dizaines de membres), en amas et en amas riches (contenant
des milliers de membres). Jusqu’à la fin des années 70, on pensait que les amas
de galaxies étaient distribués au hasard dans l’espace. En effet, on ne mesurait que
les positions des galaxies projetées sur la sphère céleste, qui peuvent être tirées de
la simple observation de photographies effectuées au moyen de grands télescopes.
Néanmoins on ne mesurait pas la troisième coordonnée, c’est-à-dire la distance

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nous séparant de ces galaxies. À partir des années 80, les cosmologistes se sont
concentrés sur cet aspect, et les surprises ont été nombreuses. Dès 1956, Gérard
de Vaucouleurs avait émis l’hypothèse de l’existence d’un superamas local,
comprenant l’amas de Virgo (ou de la Vierge) et un grand nombre de groupes de
galaxies. C’est de l’un de ces groupes (celui que l’on appelle le Groupe Local), situé
à la périphérie du superamas local, que fait partie notre Galaxie. Il existe 10 % de
galaxies dans les amas riches, 30 à 40 % dans les amas pauvres et les groupes et
50 % dispersés à travers le milieu intergalactique. Les dimensions du superamas
local sont d’environ 150 millions d'années-lumière. Il s’agit donc d’une structure
2 000 fois plus grande que notre Galaxie. Les mesures systématiques effectuées
par les savants du Center for Astrophysics de Cambridge (États-Unis) ont permis
de déterminer les distances de plusieurs dizaines de milliers de galaxies, et d’établir
que les galaxies et les amas de galaxies sont effectivement organisés en
superamas de galaxies, qui apparaissent sous la forme d’énormes filaments. Ces
structures mesurent des centaines de millions d'années-lumière de longueur et
« seulement » quelques dizaines de milliers d'années-lumière d’épaisseur. Les
filaments sont séparés les uns des autres par de grands « vides » de plusieurs
centaines de millions d'années-lumière, dans lesquels le nombre de galaxies est
très réduit. Aux intersections des filaments, on trouve les superamas de galaxies,
grandes condensations d’amas de galaxies. Le superamas de Coma, situé dans la
constellation de la Chevelure de Bérénice, est particulièrement bien étudié. Il se
trouve à une distance d’environ 450 millions d'années-lumière, et occupe dans le
ciel une aire de 10° x 30°. Il mesure environ 80 x 200 millions d'années-lumière. Le
superamas de Perseus-Pegasus-Pisces est formé de nombreux amas qui se
distribuent sur une ligne courbe s’étendant dans le ciel sur plus de 60°. Sa distance
est de 320 millions d'années-lumière. Beaucoup plus loin (environ 700 millions
d'années-lumière), on trouve l’amas d’Hercule, qui fait lui aussi l’objet de
nombreuses études.
Mouvements des superamas
L’étude du mouvement des amas de galaxies et des superamas est
particulièrement intéressante. Ce mouvement est déterminé par l’attraction
gravitationnelle réciproque. Par exemple, tout notre Groupe Local (y compris notre
Galaxie) se meut approximativement vers l’amas le plus proche, celui de Virgo, à
une vitesse de 280 km/s. Il s'agit de vitesses énormes (un million de kilomètres à
l’heure !), mais plutôt communes dans le cosmos. On ne doit pas trop s’étonner, car
ces structures se déplacent dans un vide presque absolu. Le mouvement de notre
Galaxie par rapport aux masses les plus éloignées est dirigé vers une région située
à environ 30° de l’amas de Virgo, et s’effectue à une vitesse d’environ 560 km/s.
Cela s’explique si l’on considère que tout le superamas local, comprenant tant notre
groupe de galaxies que l’amas de Virgo, se déplace collectivement vers une grande
concentration de matière plus éloignée. En réalité, le mouvement de notre
superamas est généré par la combinaison de l’attraction d’une grande masse (de
l’ordre de 5 x 1016 masses solaires, soit 50 millions de milliards de fois plus massive
que le Soleil), appelée Grand Attracteur, et située en direction de l’amas du
Centaure qui se dirige lui-même vers ce Grand Attracteur.
L’exploration des superamas de galaxies et des grands vides ne fait que
commencer. Il est clair, de toute façon, que les observations confirment l’intuition du
grand cosmologiste russe Yakob Zeldovitch. La matière lumineuse est organisée à

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grande échelle selon une structure spongieuse ou cellulaire, présentant des cellules
vides entourées de parois irrégulières constituées d’amas et de superamas de
galaxies.
La structure esquissée jusqu’ici décrit la distribution des galaxies jusqu’à des
distances de l’ordre de 500 millions d'années-lumière. Tous les superamas étudiés
dans le détail se trouvent à l’intérieur de cette distance. Les observations non
systématiques de la distribution des galaxies jusqu’à des distances environ 20 fois
plus grandes indiquent que les structures y sont semblables aux structures décrites
plus haut : grands vides et filaments ou feuillets de galaxies et amas.
Galaxies lointaines
À des distances de plus de 1 500 millions d'années-lumière, il est difficile d’étudier
la structure de l’Univers à partir des observations des galaxies. En effet, à de telles
distances, les galaxies qui se projettent sur la sphère céleste sont trop nombreuses,
et il est difficile de distinguer les galaxies éloignées des galaxies plus proches mais
intrinsèquement moins lumineuses.
Les cosmologistes tirent leurs renseignements de l’observation des radiosources. Il
s’agit de galaxies particulières, que les chercheurs observent en mesurant leur
émission très élevée d’ondes radio. Le mécanisme qui produit des ondes radio
dans les radio galaxies est l’effet synchrotron. Ce phénomène se manifeste sous
l’apparence de lobes et témoignent de la coexistence d’électrons de haute énergie
et de champ magnétique. Les électrons sont forcés de parcourir des trajectoires en
spirale, perdant constamment un peu d’énergie sous la forme d’ondes radio. Le
« champion » de cette catégorie de galaxies est Cygnus-A, l’une des sources
d’ondes radio les plus brillantes de tout le ciel. Elle se trouve à environ un milliard
d'années-lumière de nous, et, malgré la distance, émet tant d’ondes radio qu’elle
peut être observée au moyen d’instruments très simples, par des amateurs radio.
En effet, Cygnus-A est l’une des trois sources d’ondes radio que, dans les années
40, l’astronome amateur Grote Reber parvint à observer au moyen d'une antenne
rudimentaire montée dans son jardin, dans l’Illinois. L’émission radio de Cygnus-A
est environ dix millions de fois plus grande que celle des galaxies « normales »,
comme par exemple celle d’Andromède. Dans le visible, en revanche, Cygnus-A
est une galaxie très faible, à peine observable au moyen des plus grands
télescopes dont disposent les astronomes. Cygnus-A présente un noyau
relativement petit, les dimensions d’une galaxie normale, mais émet deux jets de
matière qui s’étendent dans le ciel dans des directions opposées sur environ
160 000 années-lumière. Il est clair que des processus dégageant une énergie
formidable sont en cours au sein de son noyau, et qu'ils ont pour effet d’expulser
des électrons et de produire un champ magnétique fort dans des directions
privilégiées. Après avoir parcouru de nombreux milliers d'années-lumière à une
vitesse proche de celle de la lumière, les électrons du jet ralentissent et
commencent à accomplir un mouvement en spirale dans le champ magnétique,
produisant la gigantesque émission radio que nous observons. Cygnus-A n’est pas
un cas isolé. Les radioastronomes ont observé des milliers de radiosources
présentant une morphologie semblable.
Catalogues de radiosources

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Le catalogue de radiosources établi par P.C. Gregory et J.J. Condon en 1991 est
important. Ils ont effectué leurs observations à une longueur d’onde de 6 cm. Les
32 000 radiosources les plus intenses sont distribuées dans le ciel de façon
beaucoup plus aléatoire que les galaxies. La distribution ne fait ressortir ni
structures allongées ni vides significatifs.
Par la suite, Martin Ryle et de nombreux autres chercheurs ont effectué
d’importants décomptes de radiosources. En pratique, on sélectionne une zone de
ciel non occupée par des sources locales ou proches, et l’on établit une liste de
toutes les radiosources éloignées, même très faibles, observées dans cette zone.
Elles sont ensuite subdivisées sur la base de leur luminosité, et l’on construit des
graphiques dans lesquels on indique le nombre de radiosources, en fonction de leur
luminosité. Ces graphiques sont appelés diagrammes log n - log S. Or, quelle que
soit la direction du ciel que l’on étudie, les diagrammes log n - log S sont presque
identiques. Cela est une première indication de l’isotropie de l’Univers à grande
échelle. En moyenne, l’Univers présente le même aspect, quelle que soit la
direction du ciel que l’on observe. On verra que ce résultat est confirmé par les
observations du rayonnement de fond du ciel (ou rayonnement cosmologique
fossile), et constitue l’un des principes de base de la cosmologie moderne. Les
diagrammes log n - log S montrent en outre que les sondages les plus « profonds »
concernent des galaxies à des stades évolutifs, différents, présentant donc des
luminosités et des dimensions intrinsèques différentes. On ne doit pas oublier que
nous observons aussi bien des radiosources relativement proches que des
radiosources très éloignées, dont nous recevons aujourd’hui la lumière qu’elles ont
émise il y a plus de dix milliards d’années. À l’époque, elles devaient être encore
dans les premières phases de leur évolution. En observant des radiogalaxies à
différentes distances, et donc à différents âges, on peut restituer la séquence
évolutive de ces objets très intéressants.
Quasars
Les objets les plus éloignés que nous connaissions sont les quasars ou QSO
(acronyme de Quasi Stellar Objects, objets presque stellaires). Ils se trouvent
jusqu’à dix milliards d'années-lumière de notre Galaxie ; leur luminosité est
extrêmement élevée et ils apparaissent au télescope comme des étoiles. Le
Quasar 3C48 a la luminosité de mille milliards de soleils ! En outre, certains QSO
présentent d’importantes fluctuations de leur luminosité, sur des temps courts, qui
vont d’un jour à quelques mois. Cela signifie que la dimension de la zone émissive
est extrêmement petite, de l’ordre du jour lumière (25 milliards de km
« seulement » : rappelons, en revanche, que la luminosité d’une galaxie provient
d’une région 30 millions de fois plus grande !). Dans le cas contraire, en effet, ils ne
pourraient pas fluctuer si rapidement. Si nous supposons par exemple qu’un quasar
mesure 10 années-lumière et que, pendant un court instant, tout le quasar redouble
de brillance, ce que nous observerons sera une légère augmentation de la
luminosité d’une dizaine d’années de durée. En effet, la lumière qui provient des
zones du quasar les plus éloignées de nous a dix années-lumière de distance à
parcourir en plus par rapport à la lumière qui provient des zones du quasar les plus
proches de nous. Le fait que l’on observe des fluctuations d’intensité plus rapides,
de l’ordre du jour de lumière, signifie que le quasar ne peut pas être beaucoup plus
grand qu’une journée de lumière, c’est-à-dire de l’ordre de grandeur du Système
solaire. Comment une luminosité égale à celle de cent galaxies peut-elle se