Notes sur le thème de découvrir l'Univers: la distance - les galaxies, Notes de Astronomie
Caroline_lez
Caroline_lez9 January 2014

Notes sur le thème de découvrir l'Univers: la distance - les galaxies, Notes de Astronomie

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Notes d'astronomie sur le thème de découvrir l'Univers: la distance - les galaxies. Les principaux thèmes abordés sont les suivants: Indicateurs primaires, Indicateurs secondaires, Indicateurs tertiaires, La loi de Hubbl...
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Indicateurs primaires

Avec la méthode de la parallaxe spectroscopique appliquée aux amas, il est possible de

mesurer la distance des étoiles des Nuages de Magellan, mais pas au-delà. Pour continuer la

construction de l'échelle des distances, il faut recourir aux étoiles variables, RR

Lyrae ou céphéides. C'est cette méthode, qualifiée de parallaxe photométrique, que Harlow

Shapley et Edwin Hubble utilisèrent pour déterminer la taille de la Galaxie et la distance à

Andromède.

Ces étoiles variables ont la particularité d'avoir une luminosité intrinsèque facile à estimer. En

mesurant leur luminosité apparente, il est alors possible, de calculer leur distance. Avec ce type

d'étoiles, qualifiées d'indicateurs primaires, on peut atteindre avec des télescopes terrestres des

distances de l'ordre de 10 millions d'années-lumière, ce qui englobe la galaxie d'Andromède et

tout le Groupe Local. Le télescope spatial, grâce à sa capacité à voir des détails très fins, a pu

de façon plus récente utiliser cette méthode sur des distances 10 fois supérieures.

Indicateurs secondaires

Pour mesurer la distance des galaxies plus lointaines, celles où les céphéides ne sont plus

visibles, il faut faire appel à ce que l'on appelle des indicateurs secondaires. Il s'agit de

différents types d'objets beaucoup plus brillants que les céphéides et dont nous sommes en

mesure d'estimer la luminosité intrinsèque de façon théorique. La procédure est alors la même.

A partir de la mesure de la luminosité apparente, il est facile de remonter à la distance.

Parmi les indicateurs secondaires, on peut citer les supernovae de type I, qui présentent

toujours la même luminosité intrinsèque lorsqu'elles atteignent leur éclat maximum. On compte

aussi les amas globulaires, les étoiles supergéantes bleues et les novae, chacun de ces groupes

d'objets possédant une luminosité moyenne bien définie. On peut également ajouter les régions

HII, car leur taille maximale dans une galaxie est toujours la même, ce qui permet en mesurant

les dimensions apparentes de remonter à la distance. En utilisant ces indicateurs secondaires, il

est possible de déterminer des distances jusqu'à une centaine de millions d'années-lumière.

Indicateurs tertiaires

Lorsque même ces objets brillants ne sont plus visibles, on cherche à utiliser les propriétés

globales des galaxies, qualifiées d'indicateurs tertiaires. Il existe par exemple une relation,

appelée la loi de Tully-Fisher, entre la luminosité intrinsèque d'une galaxie spirale et sa vitesse

angulaire de rotation. Or, il est possible de déterminer cette dernière par des observations de

l'effet Doppler qui affecte la raie de 21 cm de l'hydrogène atomique. Il est donc possible de

déterminer la luminosité intrinsèque totale de la galaxie considérée et d'en déduire,

connaissant sa luminosité apparente, la distance.

Une autre relation, la loi de Faber-Jackson, existe pour les galaxies elliptiques et relie leur

luminosité totale à l'agitation des étoiles en leur sein. Cette dernière est également mesurable

grâce à l'effet Doppler et permet finalement de remonter à la distance. Les divers indicateurs

tertiaires permettent en gros d'atteindre des distances de l'ordre de 500 années-lumière.

Il est possible d'aller encore plus loin en faisant l'hypothèse grossière que toutes les galaxies

d'un type donné ont la même luminosité totale. On peut alors atteindre plus d'un milliard

d'années-lumière, au prix d'une moindre précision.

La loi de Hubble

A des distances aussi énormes, la vitesse des galaxies est entièrement due à l'expansion de

l'Univers. La vitesse particulière de chacune est complètement négligeable, ce qui n'était pas le

cas pour les plus galaxies proches. Dans ces conditions, les galaxies suivent exactement la loi

de Hubble sur la proportionnalité entre vitesse et distance.

Ceci a deux conséquences. D'abord nous pouvons utiliser les observations de ces galaxies

lointaines pour estimer la constante de Hubble. Il suffit de prendre un large échantillon de

galaxies lointaines, de déterminer leur vitesse à l'aide de l'analyse spectrale, et d'estimer leur

distance grâce aux indicateurs tertiaires. On peut alors calculer le rapport vitesse sur distance

et estimer la constance de Hubble. Bien sur, la précision ne sera pas très grande puisque le

calcul repose sur toute une chaîne de méthodes différentes et est donc affecté par

l'accumulation d'incertitudes.

La deuxième conséquence se base sur le principe inverse. Une fois la constante de Hubble

déterminée, nous possédons le moyen ultime d'estimer la distance aux galaxies les plus

lointaines et aux quasars. Puisque ces objets obéissent à la loi, il suffit d'analyser leur spectre

pour calculer leur décalage vers le rouge et leur vitesse. Ce résultat divisé par la constante de

Hubble donne alors tout simplement la distance. Cette méthode fonctionne bien pour les objets

les plus éloignés, à condition bien sur qu'il soit possible de capturer suffisamment de leur

lumière pour être en mesure d'effectuer une analyse spectrale.

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