Un étalon cosmique

Ken Tapping, le 16 juillet 2014

Dans le ciel cette semaine…

  • Mars et Saturne sont toujours bien visibles. Il faut un gros télescope pour voir Mars, point rougeâtre très brillant au sud-ouest, mais un petit télescope suffit pour admirer Saturne, qui continue de briller modérément au sud.
  • Vénus et Mercure sont bas dans le ciel à l'aube.
  • La Lune entrera dans son dernier quartier le 18 juillet.

Vous êtes-vous déjà demandé comment nous avions pu établir que la grande galaxie spirale dans la constellation d'Andromède se trouvait à 2,5 millions d'années-lumière? Ce sont les travaux d'Henrietta Leavitt, astronome à l'observatoire de Harvard de la fin du 19e au début du 20e siècle, qui nous en ont donné la clé.

Diplômée du Radcliff College en 1893, Mme Leavitt fut embauchée comme « calculatrice » par l'astronome Edward Pickering de l'observatoire de Harvard. À l'époque, il n'y avait pas d'ordinateurs; l'analyse des données et les calculs, un travail exigeant un soin méticuleux, se faisaient à la main, par des femmes le plus souvent. Mme Leavitt était préposée à l'analyse des plaques photographiques en verre sur lesquelles les images étaient fixées. Son travail consistait à extraire les données sur les étoiles variables, soit des étoiles dont la luminosité varie dans le temps.

Deux raisons peuvent expliquer la variation de l'éclat apparent d'une étoile : celle-ci modifie elle-même sa luminosité, ou un objet passe devant elle, une autre étoile par exemple. De nos jours, nous pouvons détecter les changements infimes de luminosité causés par le passage devant une étoile d'une planète qui orbite autour d'elle. Parfois, l'éjection de matière dans le cas d'une étoile vieillissante pourra aussi bloquer partiellement sa lumière. L'autre raison tient à l'instabilité de l'étoile elle-même.

Les étoiles sont des amas de gaz brûlants, entourés de champs magnétiques et comportant un réacteur à fusion nucléaire au centre. La plupart du temps, la chaîne de réactions complexes se produisant à l'intérieur de l'étoile s'auto-entretient, si bien que la majorité des étoiles passent leur vie sans que leur éclat varie ou que des instabilités ne le perturbent. Heureusement pour nous, c'est le cas du Soleil. La taille et la luminosité de certaines étoiles, en particulier les étoiles géantes, peuvent toutefois varier suffisamment pour que des observateurs à la surface de la Terre puissent les voir et les mesurer.

Le travail de Mme Leavitt consistait à identifier des milliers d'étoiles variables pulsantes dans les nuages de Magellan – deux petites galaxies visibles de l'hémisphère austral et ressemblant à des morceaux qui se seraient détachés de la Voie lactée. Mme Leavitt a soigneusement mesuré la luminosité de ces étoiles ainsi que l'intervalle entre des pulsations consécutives. L'utilisation qu'elle a faite de ces données a révolutionné l'astronomie.

Vu l'énorme distance à laquelle se trouvent ces galaxies, notre astronome a pris le parti de traiter toutes les étoiles variables comme si elles étaient plus ou moins à la même distance, comme les passagers d'une voiture se trouvant à 10 km. Elle a ensuite tracé un graphique de la luminosité apparente moyenne des étoiles en fonction de leur période de pulsation et découvert qu'il y avait une relation entre les deux facteurs. Ainsi, à partir de la luminosité apparente et de la période de pulsation d'une étoile variable se trouvant à l'intérieur d'un nuage d'étoiles ou d'une galaxie éloignés, on peut calculer sa luminosité absolue. Grâce à un calcul simple, on peut ensuite établir la distance de l'étoile, ce qui se révèle essentiel pour l'astronomie moderne. Avant, nous ne disposions que de la triangulation, une technique de mesure qui ne fonctionne toutefois que pour les étoiles peu éloignées.

De nos jours, si on peut observer une ou plusieurs étoiles variables au sein d'un objet lointain, Mme Leavitt nous a donné un étalon pour calculer la distance à laquelle elles se trouvent. Ces étoiles particulières s'appellent des céphéides, car elles ressemblent à Delta Cephei, une étoile de faible magnitude dans la constellation de Céphée. Cette constellation se trouve haut dans le ciel boréal, et Delta Cephei est l'un des objets favoris des amateurs qui étudient les étoiles variables. Pressentie pour un prix Nobel, Henrietta Leavitt a été emportée par le cancer avant de le recevoir. Elle a néanmoins eu la chance de voir la contribution importante qu'elle a faite à la science : un étalon pour mesurer le cosmos.

Ken Tapping est astronome à l'Observatoire de radio-astrophysique du Conseil national de recherches du Canada, à Penticton (C.-B.) V2A 6J9.

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