Lorsque nous observons le ciel nocturne, les étoiles et les galaxies n'apparaissent que comme des points lumineux. Pourtant, cette lumière porte des informations détaillées sur la température, la composition chimique et le mouvement de sa source. Quand on fait passer la lumière d'une étoile à travers un prisme ou un spectrographe, de fines raies sombres ou brillantes apparaissent, superposées à la bande continue de couleurs semblable à un arc-en-ciel. Ces motifs, appelés raies spectrales, agissent comme une empreinte digitale pour chaque élément chimique : l'hydrogène, le calcium ou le fer produisent toujours des raies aux mêmes longueurs d'onde. L'indice qui a permis aux astronomes de comprendre que l'Univers est en expansion, c'est que ces raies apparaissent décalées par rapport aux positions mesurées en laboratoire.
Qu'est-ce que le décalage vers le rouge ?
Le décalage vers le rouge est l'effet par lequel les longueurs d'onde de la lumière d'une source paraissent plus longues qu'elles ne devraient l'être, déplacées vers l'extrémité rouge du spectre. Une longueur d'onde étirée signifie aussi une fréquence plus basse et moins d'énergie. Dans le cas inverse, lorsque les longueurs d'onde raccourcissent et se déplacent vers l'extrémité bleue, on parle de décalage vers le bleu.
L'ampleur du décalage s'exprime généralement par un nombre sans dimension noté "z", la différence relative entre la longueur d'onde observée et la longueur d'onde au repos. Par exemple, si les raies de l'hydrogène dans le spectre d'une galaxie apparaissent toutes environ 10 pour cent plus longues, la valeur de z est d'environ 0,1. Plus z est grand, plus la lumière provient de loin et d'une époque cosmique ancienne ; les galaxies les plus lointaines observées aujourd'hui ont des valeurs de z supérieures à 10.
Effet Doppler et décalage vers le rouge cosmologique
On compare souvent le décalage vers le rouge à la sirène d'une ambulance, plus aiguë quand elle approche et plus grave quand elle s'éloigne. Cet effet Doppler, valable pour les ondes sonores, fonctionne aussi pour la lumière : la lumière d'une étoile qui se rapproche se décale vers le bleu, celle d'une étoile qui s'éloigne vers le rouge. Un décalage Doppler résulte du mouvement relatif de la source et de l'observateur à travers l'espace et sert à mesurer la vitesse des étoiles proches.
Le décalage observé dans les galaxies lointaines est cependant un phénomène différent. Comme le souligne l'Agence spatiale européenne (ESA), ce "décalage vers le rouge d'expansion" n'est pas dû au déplacement des galaxies vers un lieu situé dans l'espace, mais à l'expansion de l'espace lui-même entre deux galaxies. À mesure que l'espace traversé par la lumière s'étire en arrière-plan, la longueur d'onde de la lumière s'étire avec lui. C'est pourquoi un décalage vers le rouge apparaît même lorsque deux objets sont parfaitement immobiles par rapport à l'espace, tant que la distance qui les sépare augmente. Le décalage vers le rouge cosmologique n'est donc pas exactement identique à l'effet Doppler classique.
La loi de Hubble : le lien entre distance et vitesse
En 1912, Henrietta Swan Leavitt découvre une relation entre la période de pulsation et la luminosité réelle des étoiles variables céphéides, ouvrant la voie à la mesure des distances cosmiques. Dans les années 1910, Vesto Slipher montre que les spectres des objets alors appelés "nébuleuses spirales" étaient pour la plupart décalés vers le rouge. En 1927, l'astronome et prêtre belge Georges Lemaître déduit des équations de la relativité générale une solution correspondant à un univers en expansion et prédit que les galaxies doivent s'éloigner à des vitesses proportionnelles à leur distance.
En 1929, Edwin Hubble établit cette relation par l'observation, à partir de mesures effectuées à l'observatoire du Mont Wilson : plus une galaxie était lointaine, plus elle s'éloignait vite. La relation s'écrit simplement v = H0 x d, où v est la vitesse de récession de la galaxie, d sa distance et H0 la constante de proportionnalité appelée constante de Hubble. Aujourd'hui, cette loi est appelée loi de Hubble-Lemaître en reconnaissance de la contribution des deux scientifiques.
Que signifie l'expansion de l'Univers ?
Le fait que chaque galaxie semble s'éloigner de nous ne signifie pas que la Voie lactée se trouve au centre de l'Univers. L'analogie du pain aux raisins utilisée par l'ESA l'explique bien : à mesure que la pâte lève dans le four, chaque raisin s'éloigne de tous les autres, et quel que soit le raisin sur lequel on se trouve, on voit tous ses voisins s'éloigner. Ce qui s'étend dans l'Univers, ce n'est pas le vide à travers lequel se déplacent les galaxies, mais la trame même de l'espace.
Lorsqu'on "rembobine" cette expansion, on remonte jusqu'à un commencement où toute la matière et l'énergie étaient rassemblées dans un état bien plus chaud, dense et petit. Cette conclusion, entrevue par Lemaître, constitue la base du modèle du Big Bang. La valeur de la constante de Hubble fournit aussi une estimation grossière de l'âge de l'Univers ; les mesures actuelles indiquent un âge d'environ 13,8 milliards d'années.
La constante de Hubble et la "tension de Hubble"
La constante de Hubble est généralement exprimée en kilomètres par seconde par mégaparsec (km/s/Mpc) : deux points distants d'un mégaparsec (environ 3,26 millions d'années-lumière) s'éloignent l'un de l'autre à cette vitesse. Le problème est que les deux méthodes de mesure de la constante ne concordent pas.
La méthode de "l'échelle des distances cosmiques", fondée sur l'Univers proche, utilise les céphéides et les supernovae de type Ia échelon par échelon et aboutit à une valeur d'environ 73 km/s/Mpc. Les données du satellite Planck, qui étudie le fond diffus cosmologique, la lumière fossile de l'Univers primitif, donnent environ 67,5 km/s/Mpc lorsqu'elles sont combinées au modèle standard de la cosmologie. Comme l'a expliqué la NASA, l'écart entre ces deux résultats est une divergence persistante dont la probabilité d'être un hasard statistique n'est que d'une sur un million. Ce conflit, appelé tension de Hubble, pourrait indiquer soit des erreurs systématiques encore non identifiées dans les mesures, soit une physique nouvelle au-delà de ce que l'on connaît ; c'est aujourd'hui l'un des débats les plus vifs de la cosmologie.
Que nous apprend d'autre le décalage vers le rouge ?
Le décalage vers le rouge ne prouve pas seulement l'expansion ; il fait aussi office de machine à remonter le temps. La lumière d'une galaxie à z élevé est partie il y a des milliards d'années : l'étudier revient à observer la jeunesse de l'Univers. Les observatoires infrarouges tels que le télescope spatial James Webb ont été conçus précisément pour capter la lumière d'objets très lointains et fortement décalés vers le rouge.
Les mesures de décalage vers le rouge sont également à la base des efforts pour cartographier les galaxies en trois dimensions, suivre la distribution de la matière noire et étudier l'"énergie noire" qui a révélé que l'expansion de l'Univers s'accélère depuis plusieurs milliards d'années. Une histoire commencée il y a un siècle avec un petit décalage de raies sombres se trouve aujourd'hui au cœur de l'effort pour comprendre le passé et l'avenir du cosmos.
Sources
- NASA StarChild - "Redshift and Hubble's Law" : https://starchild.gsfc.nasa.gov/docs/StarChild/questions/redshift.html
- Agence spatiale européenne (ESA) - "What is 'red shift'?" : https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/What_is_red_shift
- NASA Science - "Hubble Reaches New Milestone in Mystery of Universe's Expansion Rate" : https://science.nasa.gov/missions/hubble/hubble-reaches-new-milestone-in-mystery-of-universes-expansion-rate/