La loi de Hubble et l’univers en expansion

Dans l’un des plus célèbres articles classiques des annales de la science, l’article PNAS de 1929 d’Edwin Hubble sur la relation observée entre la distance et la vitesse de récession des galaxies – la loi de Hubble – a dévoilé l’univers en expansion et a changé à jamais notre compréhension du cosmos. Il a inauguré le domaine de la cosmologie observationnelle qui a mis au jour un univers étonnamment vaste, en expansion et en évolution depuis 14 milliards d’années, qui contient de la matière noire, de l’énergie noire et des milliards de galaxies.

Il est difficile d’imaginer qu’il y a seulement 90 ans, nous ne connaissions pas l’existence de la majeure partie de l’univers qui nous entoure. Du point de vue d’aujourd’hui, la réalité d’un univers très vaste, ancien et en expansion, rempli de milliards de galaxies qui s’éloignent les unes des autres à mesure que l’espace cosmique s’étend à partir d’un « Big Bang » initial, il y a des milliards d’années, semble si évidente que nous nous attendons à ce qu’elle doive être connue depuis des siècles. Ce n’est pas le cas. C’est l’article fondamental d’Edwin Hubble paru dans le PNAS en 1929, intitulé « A relation between distance and radial velocity among extra-galactic nebulae » (1), qui a marqué un tournant dans notre compréhension de l’univers. Dans ce court article, Hubble présente les preuves observationnelles de l’une des plus grandes découvertes de la science : l’expansion de l’univers. Hubble a montré que les galaxies s’éloignent de nous à une vitesse proportionnelle à leur distance : les galaxies les plus éloignées s’éloignent plus vite que les galaxies proches. Le graphique classique de Hubble représentant la vitesse observée en fonction de la distance pour les galaxies proches est présenté à la figure 1. Ce graphique est devenu une référence scientifique régulièrement reproduite dans les manuels d’astronomie. Le graphique révèle une relation linéaire entre la vitesse de la galaxie (v) et sa distance (d)v=Ho×d.

iv xmlns:xhtml= »http://www.w3.org/1999/xhtml Fig. 1.

Relation vitesse-distance parmi les nébuleuses extragalactiques (1).  » Les vitesses radiales, corrigées pour le mouvement solaire, sont tracées en fonction des distances estimées à partir des étoiles impliquées et des luminosités moyennes des nébuleuses d’un amas. Les disques noirs et la ligne pleine représentent la solution pour le mouvement solaire en utilisant les nébuleuses individuellement ; les cercles et la ligne brisée représentent la solution combinant les nébuleuses en groupes ; la croix représente la vitesse moyenne correspondant à la distance moyenne de 22 nébuleuses dont les distances n’ont pu être estimées individuellement » (1). (Note : les unités de vitesse doivent être en kilomètres par seconde.)

Cette relation est la célèbre loi de Hubble (et sa représentation graphique est le diagramme de Hubble). Elle indique une expansion constante du cosmos où, comme dans un gâteau aux raisins secs en expansion qui gonfle, les galaxies, comme les raisins secs, s’éloignent les unes des autres à une vitesse constante par unité de distance ; ainsi, les objets plus éloignés se déplacent plus rapidement que les objets proches. La pente de la relation, Ho, est la constante de Hubble ; elle représente le taux constant d’expansion cosmique causé par l’étirement de l’espace-temps lui-même. Bien que le taux d’expansion soit constant dans toutes les directions à un moment donné, ce taux change avec le temps tout au long de la vie de l’univers. Lorsqu’il est exprimé en fonction du temps cosmique, H(t), il est connu sous le nom de paramètre de Hubble. À l’heure actuelle, le taux d’expansion, Ho, est d’environ 70 km/s/Mpc (où 1 Mpc = 106 parsec = 3,26 × 106 light-y). L’inverse de la constante de Hubble est le temps de Hubble, tH = d/v = 1/Ho ; il reflète le temps écoulé depuis le début d’une expansion cosmique linéaire (en extrapolant une loi de Hubble linéaire jusqu’au temps t = 0) ; il est donc lié à l’âge de l’Univers, du Big-Bang à aujourd’hui. Pour la valeur de Ho ci-dessus, tH = 1/Ho ∼14 milliards d’années.

La remarquable relation observationnelle de Hubble a été obtenue en utilisant 24 galaxies proches pour lesquelles on disposait à la fois des vitesses mesurées et des distances. La plupart des vitesses provenaient des observations pionnières de décalage Doppler spectroscopique du célèbre astronome Vesto Melvin Slipher (bien qu’aucune référence ne soit donnée dans l’article de Hubble). Les distances de ces galaxies (une détermination imprécise à l’époque) avaient été mesurées par Hubble – avec une précision bien supérieure à ce qui était possible auparavant – à partir de la luminosité apparente de leurs étoiles et, pour les quatre galaxies les plus éloignées de l’échantillon, chacune située dans l’amas de la Vierge (avec une vitesse de récession de ∼1 000 km/s), à partir de leur luminosité galactique. Cette méthode utilise les étoiles (ou les galaxies) comme des  » bougies standard  » ; elle compare leur luminosité intrinsèque connue (connue à partir d’objets similaires proches bien calibrés) avec leur luminosité apparente observée pour donner la distance de chaque objet. Plus l’objet est éloigné, plus sa luminosité apparente est faible. Les déterminations de la distance de Hubble étaient suffisamment bonnes pour trier les galaxies les plus proches des plus éloignées et détecter cette étonnante relation linéaire. En plus de représenter les 24 galaxies individuelles sur le graphique, Hubble les a également regroupées en neuf groupes (cercles ouverts sur la figure 1) en fonction de leur proximité en termes de direction et de distance ; c’était un bon moyen de minimiser la grande dispersion. Hubble a utilisé 22 galaxies supplémentaires pour lesquelles les vitesses étaient disponibles (à partir des mesures de Slipher), mais pas les distances estimées individuellement. Pour ces galaxies, Hubble a utilisé la vitesse moyenne des 22 galaxies et a estimé leur distance moyenne à partir de leur luminosité moyenne observée ; cette valeur moyenne, représentée par la croix sur la Fig. 1, est parfaitement cohérente avec le reste des données. Bien que des travaux antérieurs aient laissé entrevoir une relation possible entre la vitesse et la distance, l’article de Hubble a été le travail définitif qui a convaincu la communauté scientifique de l’existence de cette relation observée et donc d’un univers en expansion. Les travaux de Hubble reposaient sur l’ensemble des données scientifiques accumulées à l’époque, depuis les vitesses déterminées par Slipher, d’une importance capitale, jusqu’aux nombreuses tentatives de mesure des distances à l’aide de diverses bougies standard, en passant par l’étalonnage grandement amélioré offert par la relation période-luminosité observée des étoiles céphéides. Hubble a eu la chance d’utiliser le télescope le plus puissant du monde à l’époque, le télescope Hooker de 100 pouces du Mont Wilson, ce qui lui a permis d’identifier des étoiles individuelles dans les galaxies et de révéler ainsi leurs distances. Il a pu sélectionner et mesurer un ensemble cohérent des distances les mieux déterminées pour un échantillon choisi de galaxies et, malgré une importante erreur de calibrage systématique, a réussi à dévoiler de manière convaincante cette relation remarquable. En évaluant ses données, Hubble conclut : « Pour un matériau aussi peu abondant, aussi mal réparti, les résultats sont assez précis. »

Le diagramme de Hubble de la vitesse en fonction de la distance (figure 1) apparaît clair et simple. Il montre une tendance claire d’augmentation de la vitesse avec la distance, malgré une grande dispersion. Ce qui rend ce graphique d’apparence simple étonnant, c’est la portée considérable de la tendance observée : nous vivons dans un grand univers en évolution dynamique qui est en expansion dans toutes les directions. Il ne s’agit pas de l’univers statique qu’Einstein et d’autres ont supposé en 1917. En fait, Einstein a introduit une constante cosmologique dans ses équations pour que l’univers reste statique, comme on le croyait alors. Les résultats de Hubble suggèrent le contraire ; ils indiquent que l’univers est en expansion depuis des milliards d’années, depuis un début précoce jusqu’à l’époque actuelle (et future). En fait, en 1922, Alexander Friedmann (8), le célèbre cosmologiste russe, a trouvé les premières solutions aux équations d’Einstein pour un univers en expansion (équations de Friedmann). En 1927, Georges Lemaitre (2) a dérivé une solution non statique des équations d’Einstein et l’a couplée aux observations disponibles à l’époque pour suggérer une relation possible mais non concluante entre la vitesse et la distance, ce qui serait attendu pour l’univers non statique (voir également les références 5 et 6). Le diagramme de Hubble de 1929 a prouvé qu’ils avaient raison. Malheureusement, Friedmann mourut jeune en 1925 et ne vécut pas assez longtemps pour être témoin des résultats de Hubble. Hubble lui-même, cependant, n’a pas fait le lien entre ses résultats et ces solutions d’univers en expansion. En 1929, les articles de Friedmann (1922) et de Lemaitre (1927) n’étaient pas encore bien connus ni largement discutés. Au lieu de cela, Hubble fait référence (dans le dernier paragraphe de son article) à la possibilité que la relation linéaire qu’il a observée puisse être liée au modèle statique de Sitter, discuté à l’époque et abandonné depuis longtemps, dans lequel les décalages Doppler proviennent principalement d’un ralentissement du temps à grande distance plutôt que d’un univers en expansion. Peu après la découverte de Hubble, les cosmologistes, dont Einstein, ont pris connaissance de l’article de Lemaitre (1927) ; la relation observée par Hubble a constitué le tournant de l’univers en expansion.

Au cours des décennies qui ont suivi la découverte de Hubble, de nombreuses observations de la loi de Hubble ont été effectuées à des distances beaucoup plus grandes et avec une précision beaucoup plus élevée en utilisant une variété de bougies standard modernes, y compris des supernovae de type Ia (SNIa) (9⇓⇓⇓⇓-14), et un indicateur de distance stellaire/cépheidique grandement amélioré vers l’amas de la Vierge (15), effectué avec le télescope spatial Hubble, nommé à juste titre en l’honneur de Hubble. La figure 2 présente une compilation récente du diagramme de Hubble observé en utilisant les SNIa comme indicateurs de distance (14) par rapport à des galaxies situées à des distances des centaines de fois supérieures à celles observées par Hubble ; le diagramme original de Hubble tient dans un point minuscule près de l’origine de ce graphique (correspondant à notre voisinage cosmique immédiat). La belle relation linéaire observée à ces distances est un triomphe remarquable aux résultats de Hubble. Les valeurs de Hubble pour ses distances en 1929 étaient cependant erronées, d’un facteur important de ∼7 ! Cela était principalement dû à un mauvais étalonnage du point zéro des bougies étalons utilisées à l’époque. Toutes les distances étaient donc trop petites d’un facteur 7, et le taux d’expansion Ho trop grand du même facteur. La valeur de Hubble pour Ho était de 500 km/s/Mpc, alors que la valeur bien calibrée d’aujourd’hui est Ho = 70 (±∼2) km/s/Mpc (15⇓⇓⇓⇓-20). Cependant, malgré cette grande différence et ses implications majeures pour le taux d’expansion et l’âge de l’univers, la découverte fondamentale de Hubble sur l’univers en expansion n’est pas affectée ; la relation linéaire sous-jacente v ∼ d reste inchangée.

Fig. 2.

Le diagramme de Hubble des galaxies d’un grand échantillon combiné d’indicateurs de distance SNIa . Un diagramme de Hubble récent d’un grand échantillon combiné de galaxies utilisant SNIa comme bougies standard pour la mesure de la distance. Le graphique présente la distance (en tant que module de distance ; proportionnel au logarithme de la distance) en fonction du décalage vers le rouge z (décalage Doppler, proportionnel à la vitesse pour un petit décalage vers le rouge : v/c ∼ z). Les différents échantillons SNIa sont indiqués par des couleurs différentes et sont listés par nom . La ligne noire (qui s’ajuste si bien aux données) représente la relation d(z) attendue pour la cosmologie actuelle (un univers plat avec une densité de masse de 30% et une constante cosmologique de 70%) et une constante de Hubble de Ho = 70 km/s/Mpc. La légère déviation de la forme à de grandes distances est la preuve de l’accélération. Le graphique de Hubble de 1929 (figure 1, tracé avec des axes inversés, v en fonction de d) s’adaptera à un minuscule point près/en dessous de l’origine de ce diagramme.

La découverte de Hubble a inauguré le domaine de la cosmologie observationnelle et a ouvert un magnifique vaste univers à explorer. Les observations de la structure à grande échelle de l’univers, des amas de galaxies, des SNIa (utilisés comme bougies standard pour explorer l’évolution de la loi de Hubble à de grandes distances) et du rayonnement de fond cosmologique ont révélé un univers étonnant : un univers plat (courbure spatiale nulle) qui contient 5 % de baryons (étoiles, gaz), 25 % de matière noire exotique non baryonique et 70 % d’énergie noire à l’origine de l’accélération du taux d’expansion actuel de l’univers. Le résultat étonnant de l’accélération cosmique a été découvert en 1998 (9⇓⇓-12) en utilisant une méthode d’indicateur de distance similaire à celle utilisée par Hubble, mais en utilisant les très brillants SNIa comme bougies standard précises pour mesurer l’évolution du taux d’expansion (le diagramme de Hubble) à de grandes distances (premiers temps cosmiques). Le résultat surprenant a montré que le taux d’expansion s’est accéléré au cours des ∼6 derniers milliards d’années. La nature de la mystérieuse énergie noire à l’origine de cette accélération n’est pas encore connue. S’agit-il de la constante cosmologique, représentant la densité d’énergie du vide, ou d’autre chose ? C’est l’une des questions les plus fondamentales de la cosmologie actuelle. La quête pour répondre à cette question est actuellement en cours. Le télescope spatial Hubble, entre autres, observe actuellement la loi de Hubble à de plus grandes distances (en utilisant SNIa) afin de retracer l’évolution précise de l’univers en expansion. La relation linéaire observée aux petites distances commence à s’écarter de la linéarité aux grandes distances en raison de la cosmologie spécifique de l’univers, notamment la densité de masse cosmique (dont la gravité ralentit l’expansion) et la quantité et la nature de l’énergie sombre (qui accélère l’expansion). Le faible écart par rapport à la linéarité, observé à de grandes distances sur la figure 2, est bien la preuve observationnelle de l’accélération de l’univers (9⇓⇓⇓⇓-14).

La découverte de Hubble a ouvert la voie à des recherches remarquables dans de nombreux autres domaines, tels que la structure à grande échelle de l’univers, l’évolution et les propriétés des galaxies et des quasars, et l’évolution de l’univers dans son ensemble. L’utilisation de la loi de Hubble permet la détermination cruciale des distances de Hubble des galaxies et des quasars (les distances de Hubble sont celles dérivées de la loi de Hubble en utilisant la vitesse observée de l’objet ; ces distances représentent la véritable distance cosmique plus une petite composante de mouvement particulier). À leur tour, ces distances permettent de déterminer l’emplacement et la distribution en 3D de millions de galaxies et de quasars à partir de leurs vitesses observées par décalage Doppler spectroscopique (redshift), obtenues à partir de grands relevés de galaxies à redshift. Ces études révèlent un remarquable réseau interconnecté à grande échelle de galaxies, d’amas de galaxies, de filaments et de vides (22, 23). Les distances de Hubble sont couramment utilisées en astronomie pour mesurer les distances aux galaxies à partir de leurs décalages spectroscopiques (relativement) faciles à mesurer et même à partir de leurs décalages photométriques (obtenus à partir de relevés d’imagerie multibande). L’évolution des galaxies et des quasars depuis le jeune univers de ∼1 milliard d’années jusqu’à aujourd’hui est rendue possible par la mesure de ces distances. Une détermination précise de l’âge de l’univers a également été possible à partir de la constante de Hubble mesurée avec précision, lorsqu’elle est combinée aux paramètres cosmologiques ci-dessus, et qui est de 13,8 ± 0,1 milliards d’années (15⇓⇓⇓⇓-20). Cet âge est parfaitement cohérent avec l’âge des étoiles les plus anciennes. Ce ne sont là que quelques exemples des applications globales de la découverte de Hubble.

Dans son article, Hubble conclut « Les résultats établissent une relation grossièrement linéaire entre les vitesses et les distances parmi les nébuleuses pour lesquelles les vitesses ont été publiées précédemment, et la relation semble dominer la distribution des vitesses…..De nouvelles données attendues dans un avenir proche peuvent modifier la signification de la présente enquête ou, si elles sont confirmées, conduiront à une solution plusieurs fois plus lourde. » En effet, Hubble et son collègue Milton Humason de l’Observatoire du Mont Wilson ont élargi leur enquête en mesurant des distances et des vitesses supplémentaires de galaxies dans leurs travaux de suivi, s’étendant à des distances 20 fois plus grandes (24), et confirmant les résultats initiaux. Aujourd’hui, 85 ans plus tard, la loi de Hubble est une évidence, mesurée avec une grande précision à des échelles cosmiques bien plus grandes que le premier aperçu de Hubble dans notre voisinage cosmique immédiat.

La découverte de Hubble dépeint une histoire scientifique étonnante : ses distances comportaient une grande erreur systématique d’un facteur sept, ses vitesses provenaient principalement de celles mesurées par Slipher, il a utilisé un petit échantillon de seulement 24 galaxies proches, et son interprétation des résultats en termes du modèle cinématique de de Sitter de l’époque était erronée ; pourtant, son résultat principal de la relation vitesse/distance a changé le cours de la science en révélant l’univers en expansion. La loi de Hubble, la constante de Hubble, le temps de Hubble et le plus récent télescope spatial Hubble ne sont que des hommages à cette découverte impressionnante.

Footnotes

  • ↵1Email : neta{at}astro.princeton.edu.
  • Contributions de l’auteur : N.A.B. a rédigé l’article.

  • L’auteur ne déclare aucun conflit d’intérêts.

  • Cet article fait partie de la série spéciale d’articles du 100e anniversaire de PNAS visant à commémorer les recherches exceptionnelles publiées dans PNAS au cours du siècle dernier. Voir l’article complémentaire, « Une relation entre la distance et la vitesse radiale parmi les nébuleuses extra-galactiques » à la page 168 du numéro 3 du volume 15, et voir Inner Workings à la page 3176.

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