L'échelle de distance cosmique: comment mesurer un univers infini.

Pour cartographier l'univers, les astronomes enchaînent des mesures de distance à des objets toujours plus éloignés, comme escalader des échelons sur une échelle cosmique.

Par Alison Klesman  | Publication: mercredi 31 juillet 2019

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L'échelle de distance cosmique permet aux astronomes de mesurer en toute confiance de vastes distances.

NASA / JPL-Caltech

Lorsque les humains regardent le ciel nocturne, ils posent naturellement la question: à quelle distance se trouve cette planète, cette étoile ou cette galaxie? La distance est l'une des mesures les plus fondamentales que les astronomes effectuent, mais c'est aussi l'une des plus difficiles. Heureusement, les astronomes disposent d'un outil essentiel pour les aider à répondre à cette question centrale: jusqu'où? Cet outil est l'échelle de distance cosmique.

Cette échelle comporte des «barreaux» d'objets dotés de certaines propriétés qui permettent aux astronomes de mesurer leur distance en toute confiance. Sauter à chaque échelon suivant repose sur des méthodes de mesure d'objets toujours plus éloignés, la prochaine étape s'appuyant souvent sur la précédente. Par exemple, une fois que les astronomes mesurent la distance d'une galaxie à l'aide d'un échelon, ils peuvent alors mesurer la distance à l'aide de l'échelon suivant et faire correspondre les deux. Cela leur permet de se déplacer vers l'extérieur et de mesurer des distances encore plus grandes, barreau par barreau.

Intensifier

La parallaxe donne les distances aux étoiles proches. C'est la façon dont les Hipparcos et maintenant le vaisseau spatial Gaia cartographient la Voie lactée. Cette méthode repose sur l'observation des étoiles proches car elles semblent se déplacer sur le fond des étoiles plus éloignées, qui semblent fixes. En comparant la position apparente d'une étoile aujourd'hui à sa position apparente il y a six mois, les astronomes peuvent calculer la distance. Mais c'est le hic - cela ne fonctionne que pour les étoiles qui sont suffisamment proches pour qu'elles semblent se déplacer sur le fond le plus éloigné. Avec la technologie actuelle, la parallaxe peut mesurer des distances aux étoiles jusqu'à quelques dizaines de milliers d'années-lumière de distance.

Mais cela ne couvre même pas l'intégralité de la Voie lactée, qui est d'au moins 100 000 années-lumière de bout en bout. Le prochain échelon est constitué d'étoiles variables appelées céphéides et lyres RR, dont la luminosité change avec le temps. La physique dicte que toutes les étoiles RR Lyrae ont la même luminosité car elles partagent un âge et une masse spécifiques et bien connus. Variables céphéides, d'autre part, ont des luminosités différentes. Mais ces étoiles chaudes et massives scintillent à un rythme lié à leur luminosité, quelle que soit leur distance. Tout ce que les astronomes ont à faire est de mesurer la vitesse à laquelle une céphéide s'éclaircit et s'assombrit pour calculer sa luminosité. Et ces étoiles variables ne sont pas seulement visibles dans toute notre galaxie. Les astronomes peuvent les repérer dans le quartier voisin de la Voie lactée, y compris dans la galaxie d'Andromède à environ 2,5 millions d'années-lumière et l'amas de la Vierge à environ 50 millions d'années-lumière.
 

Mais toutes les étoiles ne sont pas variables. Heureusement, il existe d'autres façons d'utiliser les étoiles comme échelons sur l'échelle de distance. Au lieu d'observer des étoiles uniques, les astronomes peuvent, par exemple, regarder toutes les étoiles d'un amas globulaire, qui sont des boules de soleils bien serrées qui se sont toutes formées en même temps. Ceux-ci peuvent être vus autour de la Voie lactée, ainsi qu'à côté d'autres galaxies proches et lointaines. Tout d'abord, les astronomes placent chaque étoile dans l'amas sur un diagramme de Hertzsprung-Russell (HR), qui trace la luminosité et la couleur d'une étoile (qui est liée à la température). En comparant où certains types d'étoiles tombent sur le diagramme avec où se trouvent des étoiles similaires à une distance connue, les astronomes peuvent utiliser la différence pour mesurer la distance à l'amas.

Loin

Mais à mesure que les galaxies s'éloignent, les télescopes ne peuvent pas distinguer leurs étoiles individuelles, tout comme les lettres sur une carte des yeux deviennent plus floues à mesure qu'elles deviennent plus petites. Finalement, les étoiles ne peuvent plus être utilisées comme échelons sur l'échelle. Pour mesurer les galaxies les plus éloignées, les astronomes doivent s'appuyer sur des objets extrêmement brillants capables de briller sur de grandes distances. L'objet le plus couramment utilisé est appelé supernova de type Ia. On pense que ce sont l'explosion d'une naine blanche, le reste d'une étoile semblable au soleil, lorsqu'elle dépasse une certaine limite de poids. En raison des propriétés physiques des naines blanches, elles ne peuvent pas peser plus de 1,4 fois la masse de notre Soleil. Mais les naines blanches dans les systèmes d'étoiles binaires peuvent voler de la matière à leur compagnon, faisant basculer les écailles et les faire exploser. Parce qu'elles explosent toujours au même point, les supernovae de type Ia ont toujours à peu près la même luminosité - et elles sont très lumineuses, visibles à des distances d'environ 10 milliards d'années-lumière ou plus.
 

Le plus haut échelon de l'échelle de distance cosmologique est le décalage vers le rouge. Les astronomes mesurent cette valeur en divisant toute la lumière d'une galaxie par longueur d'onde, appelée spectre. Chaque élément ou molécule laisse des empreintes digitales différentes sur ce spectre, qui apparaissent à des longueurs d'onde très spécifiques. Mais si une galaxie s'éloigne de nous, sa lumière s'étire. Les longueurs d'onde de ces empreintes chimiques changent - et la quantité qu'elles ont décalée, ou deviennent plus rouge, s'appelle le redshift de la galaxie. Le décalage est lié à la distance de la galaxie par la loi de Hubble, qui stipule que plus une galaxie est éloignée de la Terre, plus elle s'éloigne rapidement de nous à mesure que l'univers se développe. Mesurer le décalage vers le rouge a permis aux astronomes de repérer certaines des premières galaxies connues, qui brillent à plus de 13 milliards d'années-lumière.

Source: http://www.astronomy.com/ 
Lien: http://www.astronomy.com/news/2019/07/the-cosmic-distance-ladder?utm_source=asyfb&utm_medium=social&utm_campaign=asyfb&fbclid=IwAR0LHmiRU-9o_WO5Fk_eIFI7A0M07CMcyLQANvg3862oxmgk7lWVsMxLOe4