Une règle suffit à mesurer des objets de notre vie quotidienne. Mais lorsque quelque chose est trop petit, nous avons besoin d'un équipement spécial, tel qu'un microscope électronique et une nouvelle échelle de mesure, pour calculer la longueur d'une cellule ou d'un virus, par exemple. Mais quand l’objet à mesurer est-il immensément grand?

Et méfiez-vous: Big est quelque chose de beaucoup plus grand que Taipei 101, le troisième plus haut bâtiment du monde. Nous parlons de quelque chose de si grand qu'il est difficile de concevoir même dans l'imagination. Nous parlons de la taille et des distances de notre univers. «Le nôtre» car il y en a peut-être plus d'un.

Malheureusement, nous n'avons pas de règle capable de mesurer quelque chose qui se trouve à des années-lumière de nous, c'est-à-dire si loin que, si nous voyagions à la vitesse de la lumière, il faudrait des années pour atteindre notre objet d'étude. Les scientifiques contournent donc cette difficulté en utilisant des concepts physiques et mathématiques bien établis.

Parallax: À quelle distance sont les étoiles?

Comme expliqué dans la vidéo ci-dessus, la parallaxe est l'une des formes utilisées par quiconque souhaite mesurer la distance entre une étoile et la Terre. Pour mieux comprendre le concept de cette méthode, un exemple très didactique est présenté dans le film produit par le Royal Observatory de Greenwitch.

Lorsque vous conduisez, vous pouvez voir que les arbres et tout ce qui se trouve près de l'autoroute vous passent rapidement, mais ce qui est plus éloigné, comme une montagne lointaine à l'horizon, ne se déplace presque jamais. Ceci est dû à un effet connu sous le nom de parallaxe et, heureusement, nous pouvons l’utiliser pour estimer les distances.

Avec un peu de trigonométrie, vous pouvez estimer la distance des objets (Source de l'image: Lecture / Vimeo)

Imaginez donc que vous souhaitiez connaître le nombre de mètres d’un arbre depuis votre voiture. Tout d'abord, il est nécessaire de prendre une photo de l'arbre, avec la montagne en arrière-plan. Ensuite, en suivant la route, capturez une autre image similaire du même arbre et de la même montagne, mais depuis une position différente.

Ensuite, à l'aide des mathématiques, en particulier de la trigonométrie, il est possible de calculer la différence de position apparente de l'arbre dans les deux images et, sur cette base, de déterminer la distance qui sépare le photographe de l'arbre.

La même technique peut être utilisée pour calculer la distance entre nous et les étoiles les plus proches, sauf qu'au lieu de marcher sur une route pour obtenir la deuxième image, nous utilisons le mouvement de la terre autour du soleil. Des mois plus tard, quand on regarde la même étoile, on s'aperçoit qu'elle s'est "déplacée" par rapport aux étoiles les plus éloignées.

Bougies standard: distance calculée en fonction de la luminosité

Des bougies standard peuvent vous aider à calculer la distance des étoiles les plus éloignées (Source de l'image: Lecture / Vimeo)

Mais comme nous l'avons dit précédemment, il existe des étoiles qui, de si loin, n'ont pas de position apparente différente. Dans ce cas, la parallaxe n'aide pas. Mais heureusement, il existe un autre moyen d'estimer cette distance, et pour que ce soit clair, passons à un autre exemple didactique.

Imaginez que vous êtes dans un parc et que vous voyez un lampadaire. Eh bien, à mesure que vous vous en éloignez, la lumière commence à s'estomper et, à mesure que vous vous approchez, plus brillante. Fait intéressant, en étant conscient de la luminosité de la lampe - disons 40 W -, il est possible d'estimer la distance entre le projecteur et le spectateur.

Cependant, certaines lampes peuvent sembler très lumineuses lorsqu'elles sont éloignées et moins puissantes lorsqu'elles sont proches. Ces objets de luminosité connue sont appelés «bougies standard» et seuls peuvent être utilisés pour estimer les distances.

Dans l'univers, plusieurs corps peuvent être utilisés comme bougies standard. Un exemple est les étoiles de cajou, supergéantes jaunes qui augmentent et diminuent leur luminosité sur une période de temps régulière. Sur la base de cette luminosité, nous pouvons calculer la distance de la Terre à eux et même la galaxie dans laquelle ils se trouvent.

Redshift: mesurer les extrémités de l'univers

L'effet Doppler est visible sur les sirènes des camions de pompiers (Source de l'image: Playback / Vimeo)

Bien que pratique, la méthode des voiles standard présente également des limites. Il est possible, par exemple, que l'objet à mesurer à distance soit bloqué par un autre corps céleste et que sa luminosité ne puisse pas être observée. En outre, il se peut que les voiles de galaxie standard ne soient pas encore mesurées. Dans de tels cas, une troisième méthode peut être utilisée.

L’effet Doppler doit être devenu très populaire quand c’était le motif fantastique utilisé par Sheldon dans un épisode de la première saison de The Big Bang Theory. Pour ceux qui ne le savent pas, c’est l’effet responsable de la distorsion provoquée par le son du feu et des sirènes de police qui passent près de quelqu'un.

En effet, le sommet de l’onde sonore émise par le véhicule est plus proche de celui-ci que de l’arrière de la voiture et cela influe directement sur la fréquence de la sirène: lorsque le véhicule approche, le son est plus fort et, en prenant de la distance, cela devient plus grave.

Il est intéressant de noter que cet effet frappe également les objets légers en mouvement, à la différence que les ondes courtes et non pointues deviennent bleues, tandis que les ondes plus longues et plus basses virent au rouge. Sur la base de ce décalage bleu ou rouge, nous pouvons étudier le mouvement des corps célestes dans l'espace.

Plus le rouge plus loin

Quelque chose de similaire à l'effet Doppler arrive à la lumière (Source de l'image: Lecture / Vimeo)

Ainsi, en observant des galaxies à voiles standard, les astronomes ont découvert qu’elles avaient également un décalage vers le rouge et que plus une galaxie était éloignée, plus le déplacement serait important.

Aujourd'hui, nous savons que c'est parce que notre univers est en expansion, c'est-à-dire qu'elles semblent immobiles, ces galaxies s'éloignent de plus en plus de nous. Mais ce n’est pas seulement la raison pour laquelle nous remarquons ce décalage vers le rouge.

La vérité est que l’espace entre ces galaxies et notre planète s’étire, de même que les ondes lumineuses qui nous parviennent. Il suffit donc de regarder l’intensité de ce décalage vers le rouge pour calculer la distance qui nous sépare du corps céleste.

Fait intéressant, toutes ces méthodes de mesure sont liées. Ce n'est que parce que nous connaissons la taille de notre système solaire et la distance de la Terre au Soleil que nous pouvons, par exemple, mesurer la distance des étoiles via une parallaxe.

Et si nous connaissons la distance des bougies standard par parallaxe, nous pouvons les utiliser pour mesurer des étoiles encore plus éloignées en comparant ces bougies. Et enfin, en utilisant les voiles standard pour étudier le mouvement des galaxies, nous pouvons ensuite calculer une mesure basée sur le décalage vers le rouge. Intéressant, non?

Source: Observatoire Royal Greenwich / Vimeo