Préambule (1/2)

L’astronomie est définie comme l’étude des objets qui se trouvent au-delà de notre planète Terre et des processus par lesquels ces objets interagissent les uns avec les autres. Nous verrons cependant qu’elle est bien plus que cela. C’est aussi la tentative de l’humanité d’organiser ce que nous apprenons en une histoire claire de l’univers, depuis l’instant de sa naissance dans le Big Bang jusqu’au moment présent. Tout au long de ce livre, nous insistons sur le fait que la science est un rapport de progrès - un rapport qui change constamment à mesure que de nouvelles techniques et de nouveaux instruments nous permettent de sonder l’univers plus profondément.

En considérant l’histoire de l’univers, nous verrons encore et encore que le cosmos évolue ; il change profondément sur de longues périodes de temps. Par exemple, l’univers a fabriqué le carbone, le calcium et l’oxygène nécessaires à la construction d’un objet aussi intéressant et compliqué que vous. Aujourd’hui, plusieurs milliards d’années plus tard, l’univers a évolué pour devenir un lieu plus accueillant pour la vie. Retracer les processus évolutifs qui continuent à façonner l’univers est l’une des parties les plus importantes (et les plus satisfaisantes) de l’astronomie moderne.

Le juge ultime en science est toujours ce que la nature elle-même révèle sur la base d’observations, d’expériences, de modèles et de tests. La science n’est pas simplement un ensemble de connaissances, mais une méthode par laquelle nous tentons de comprendre la nature et son comportement. Cette méthode commence par de nombreuses observations sur une période de temps donnée. À partir des tendances trouvées par les observations, les scientifiques peuvent modéliser les phénomènes particuliers que nous voulons comprendre. Ces modèles sont toujours des approximations de la nature, soumises à de nouveaux tests.

À titre d’exemple astronomique concret, les anciens astronomes ont construit un modèle (en partie à partir d’observations et en partie à partir de croyances philosophiques) selon lequel la Terre était le centre de l’univers et que tout se déplaçait autour d’elle dans des orbites circulaires. Au début, les observations du Soleil, de la Lune et des planètes dont nous disposions correspondaient à ce modèle ; cependant, après d’autres observations, le modèle a dû être mis à jour en ajoutant cercle après cercle pour représenter les mouvements des planètes autour du centre de la Terre. Au fil des siècles et de l’amélioration des instruments permettant de suivre les objets dans le ciel, l’ancien modèle (même avec un nombre considérable de cercles) ne pouvait plus expliquer tous les faits observés. Comme nous le verrons dans la partie Observer le ciel : la naissance de l’astronomie, un nouveau modèle, avec le Soleil au centre, correspondait mieux aux preuves expérimentales. Après une période de lutte philosophique, il a été accepté comme notre vision de l’univers.

Lorsqu’ils sont proposés pour la première fois, les nouveaux modèles ou idées sont parfois appelés des hypothèses. Vous pensez peut-être qu’il ne peut y avoir de nouvelles hypothèses dans une science comme l’astronomie - que tout ce qui est important a déjà été appris. Rien ne pourrait être plus éloigné de la vérité. Tout au long de ce manuel, vous trouverez des discussions sur des hypothèses récentes, et parfois encore controversées, en astronomie. Par exemple, la signification que les énormes morceaux de roche et de glace qui frappent la Terre ont pour la vie sur Terre elle-même est encore débattue. Et si tout porte à croire que de vastes quantités d’"énergie noire" invisible constituent la majeure partie de l’univers, les scientifiques n’ont aucune explication convaincante sur la nature de cette énergie noire. La résolution de ces questions nécessitera des observations difficiles réalisées à la pointe de notre technologie, et toutes ces hypothèses doivent être testées plus avant que nous ne les incorporions pleinement dans nos modèles astronomiques standard.

Ce dernier point est crucial : une hypothèse doit être une explication proposée qui peut être réfutée. L’approche la plus directe de ce type de test en science consiste à réaliser une expérience. Si l’expérience est menée correctement, ses résultats seront soit en accord avec les prédictions de l’hypothèse, soit en contradiction avec celle-ci. Si le résultat expérimental est vraiment incompatible avec l’hypothèse, le scientifique doit rejeter l’hypothèse et essayer de développer une alternative. Si le résultat expérimental est en accord avec les prédictions, cela ne prouve pas nécessairement que l’hypothèse est absolument correcte ; il se peut que des expériences ultérieures contredisent des parties cruciales de l’hypothèse. Mais plus il y a d’expériences en accord avec l’hypothèse, plus nous sommes susceptibles d’accepter l’hypothèse comme une description utile de la nature.

Une façon d’y penser est de considérer un scientifique qui est né et vit sur une île où ne vivent que des moutons noirs. Jour après jour, le scientifique ne rencontre que des moutons noirs, il émet donc l’hypothèse que tous les moutons sont noirs. Bien que chaque mouton observé renforce l’hypothèse, le scientifique n’a qu’à se rendre sur le continent et observer un seul mouton blanc pour prouver que l’hypothèse est fausse.

Lorsque vous lisez des articles sur les expériences, vous avez probablement l’image mentale d’un scientifique dans un laboratoire en train de réaliser des tests ou de prendre des mesures minutieuses. C’est certainement le cas pour un biologiste ou un chimiste, mais que peuvent faire les astronomes lorsque notre laboratoire est l’univers ? Il est impossible de mettre un groupe d’étoiles dans un tube à essai ou de commander une autre comète à une entreprise de fournitures scientifiques.

C’est pourquoi l’astronomie est parfois qualifiée de science d'observation ; nous effectuons souvent nos tests en observant de nombreux échantillons du type d’objet que nous voulons étudier et en notant soigneusement les variations entre les différents échantillons. Les nouveaux instruments et les nouvelles technologies nous permettent d’observer les objets astronomiques sous de nouvelles perspectives et avec plus de détails. Nos hypothèses sont alors jugées à la lumière de ces nouvelles informations, et elles sont acceptées ou rejetées de la même manière que nous évaluerions le résultat d’une expérience en laboratoire.

Une grande partie de l’astronomie est également une science historique - ce qui signifie que ce que nous observons s’est déjà produit dans l’univers et que nous ne pouvons rien faire pour le changer. De la même façon, un géologue ne peut pas modifier ce qui est arrivé à notre planète, et un paléontologue ne peut pas ramener à la vie un animal ancien. Si cela peut rendre l’astronomie difficile, cela nous donne aussi des occasions fascinantes de découvrir les secrets de notre passé cosmique.

On pourrait comparer l’astronome à un détective qui tente de résoudre un crime qui s’est produit avant que le détective n’arrive sur les lieux. Il y a beaucoup de preuves, mais le détective et le scientifique doivent passer au crible et organiser les preuves pour vérifier diverses hypothèses sur ce qui s’est réellement passé. En outre, le scientifique ressemble au détective d’une autre manière : tous deux doivent prouver ce qu’ils avancent. Le détective doit convaincre le procureur, le juge et peut-être même le jury que son hypothèse est correcte. De même, le scientifique doit convaincre ses collègues, les rédacteurs en chef des revues scientifiques et, en fin de compte, un large éventail d’autres scientifiques que son hypothèse est provisoirement correcte. Dans les deux cas, on ne peut demander que des preuves "au-delà du doute raisonnable". Et parfois, de nouvelles preuves obligeront le détective et le scientifique à réviser leur dernière hypothèse.

Cet aspect autocorrectif de la science la distingue de la plupart des activités humaines. Les scientifiques passent beaucoup de temps à s’interroger et à se remettre en question, c’est pourquoi les demandes de financement de projets - ainsi que les rapports destinés à être publiés dans des revues universitaires - sont soumis à un vaste processus d'évaluation par les pairs, qui consiste en un examen minutieux par d’autres scientifiques du même domaine. En science (après un enseignement et une formation formels), chacun est encouragé à améliorer ses expériences et à remettre en question toutes les hypothèses. Les nouveaux scientifiques savent que l’un des meilleurs moyens de faire avancer leur carrière est de trouver une faiblesse dans notre compréhension actuelle d’un phénomène et d’y remédier par une hypothèse nouvelle ou modifiée.

C’est l’une des raisons pour lesquelles la science a fait des progrès aussi spectaculaires. Aujourd’hui, un étudiant en sciences de premier cycle en sait plus sur les sciences et les mathématiques que Sir Isaac Newton, l’un des scientifiques les plus renommés qui ait jamais vécu. Même dans ce cours d’introduction à l’astronomie, vous apprendrez à connaître des objets et des processus dont personne, il y a quelques générations, n’imaginait même l’existence.

Au fil des siècles, les scientifiques ont extrait diverses lois scientifiques d’innombrables observations, hypothèses et expériences. Ces lois scientifiques sont, en quelque sorte, les "règles" du jeu de la nature. Une découverte remarquable sur la nature - qui sous-tend tout ce que vous lirez dans ce texte - est que les mêmes lois s’appliquent partout dans l’univers. Les règles qui déterminent le mouvement des étoiles si lointaines que votre œil ne peut les voir sont les mêmes que celles qui déterminent l’arc d’une balle de baseball après qu’un batteur l’a frappée hors du parc.

Notez que sans l’existence de telles lois universelles, nous ne pourrions pas faire beaucoup de progrès en astronomie. Si chaque poche de l’univers avait des règles différentes, nous aurions peu de chances d’interpréter ce qui se passe dans les autres "voisinages". Mais la cohérence des lois de la nature nous donne un pouvoir énorme pour comprendre des objets lointains sans avoir à voyager jusqu’à eux et à apprendre les lois locales. De la même manière, si chaque région d’un pays avait des lois complètement différentes, il serait très difficile de faire du commerce ou même de comprendre le comportement des gens dans ces différentes régions. En revanche, un ensemble cohérent de lois nous permet d’appliquer ce que nous apprenons ou pratiquons dans un État à tout autre État.

Cela ne veut pas dire que nos modèles et lois scientifiques actuels ne peuvent pas changer. De nouvelles expériences et observations peuvent conduire à de nouveaux modèles plus sophistiqués - des modèles qui peuvent inclure de nouveaux phénomènes et des lois sur leur comportement. La théorie générale de la relativité proposée par Albert Einstein est un parfait exemple d’une telle transformation qui a eu lieu il y a environ un siècle ; elle nous a conduits à prédire, et finalement à observer, une nouvelle classe étrange d’objets que les astronomes appellent les trous noirs. Seul le patient processus d’observation de la nature, toujours plus minutieux et précis, peut démontrer la validité de ces nouveaux modèles scientifiques.

Un problème important dans la description des modèles scientifiques est lié aux limites du langage. Lorsque nous essayons de décrire des phénomènes complexes en termes de tous les jours, les mots eux-mêmes peuvent ne pas être adéquats pour faire le travail. Par exemple, vous avez peut-être entendu comparer la structure de l’atome à un système solaire miniature. Si certains aspects de notre modèle moderne de l’atome nous rappellent effectivement les orbites planétaires, de nombreux autres aspects sont fondamentalement différents.

Ce problème est la raison pour laquelle les scientifiques préfèrent souvent décrire leurs modèles en utilisant des équations plutôt que des mots. Dans ce livre, qui est conçu pour introduire le domaine de l’astronomie, nous utilisons principalement des mots pour discuter de ce que les scientifiques ont appris. Nous évitons les mathématiques complexes, mais si ce cours suscite votre intérêt et que vous poursuivez dans le domaine scientifique, de plus en plus de vos études feront appel au langage précis des mathématiques.

En astronomie, nous traitons des distances à une échelle à laquelle vous n’avez peut-être jamais pensé auparavant, avec des nombres plus grands que tous ceux que vous avez pu rencontrer. Nous adoptons deux approches qui rendent le traitement des nombres astronomiques un peu plus facile. Tout d’abord, nous utilisons un système d’écriture des grands et petits nombres appelé notation scientifique (ou parfois notation en puissance de dix). Ce système est très attrayant car il élimine les nombreux zéros qui peuvent sembler écrasants pour le lecteur. En notation scientifique, si vous voulez écrire un nombre tel que 500 000 000, vous l’exprimez par 5×10⁸.

Le petit chiffre en relief après le 10, appelé exposant, indique le nombre de positions que nous avons dû déplacer vers la gauche pour convertir 500 000 000 en 5. Si vous rencontrez ce système pour la première fois ou si vous souhaitez vous rafraîchir la mémoire, nous vous suggérons de consulter l’annexe C et l’exemple 1.1 ci-dessous pour plus d’informations. La deuxième façon de simplifier les chiffres est d’utiliser un ensemble cohérent d’unités - le système métrique International System of Units, ou SI (du français Système International d’Unités).Voyez également l’exemple 1.2 c-dessous.

Une unité couramment utilisée par les astronomes pour décrire les distances dans l’univers est l’année-lumière, qui correspond à la distance parcourue par la lumière en un an. Comme la lumière voyage toujours à la même vitesse et que cette vitesse est la plus rapide possible dans l’univers, elle constitue une bonne norme pour mesurer les distances. Vous pouvez être confus parce qu’une "année-lumière" semble impliquer que nous mesurons le temps, mais cette confusion entre temps et distance est également courante dans la vie de tous les jours. Par exemple, lorsque votre ami vous demande où se trouve le cinéma, vous pouvez répondre "à environ 20 minutes du centre-ville".

Alors, combien de kilomètres y a-t-il dans une année-lumière ? La lumière voyage à la vitesse étonnante de 3×10⁵ kilomètres par seconde (km/s), ce qui fait qu’une année-lumière mesure 9,46×10¹² kilomètres. On pourrait penser qu’une unité aussi grande atteindrait facilement l’étoile la plus proche, mais les étoiles sont bien plus éloignées que notre imagination pourrait nous le faire croire. Même l’étoile la plus proche se trouve à 4,3 années-lumière, soit plus de 40 billions (40 mille milliards) de kilomètres. D’autres étoiles visibles à l’œil nu se trouvent à des centaines ou des milliers d’années-lumière (figure 1.4).

Il existe une autre raison pour laquelle la vitesse de la lumière est une unité de distance si naturelle pour les astronomes. Les informations sur l’univers nous parviennent presque exclusivement par le biais de diverses formes de lumière, et toute cette lumière voyage à la vitesse de la lumière, soit une année-lumière par an. Cela fixe une limite à la vitesse à laquelle nous pouvons apprendre des événements dans l’univers. Si une étoile se trouve à 100 années-lumière, la lumière que nous voyons ce soir a quitté cette étoile il y a 100 ans et arrive à peine dans notre voisinage. Le plus tôt que nous pouvons apprendre sur les changements survenus dans cette étoile est 100 ans après les faits. Pour une étoile située à 500 années-lumière, la lumière que nous détectons ce soir est partie il y a 500 ans et porte des nouvelles vieilles de 500 ans.

Parce que beaucoup d’entre nous sont habitués aux nouvelles instantanées d’Internet, certains pourraient trouver cela frustrant.

"Vous voulez dire que lorsque je vois cette étoile là-haut", demandez-vous, "je ne saurai pas ce qui s’y passe réellement avant 500 ans ?"

Mais ce n’est pas la façon la plus utile d’envisager la situation. Pour les astronomes, c’est maintenant que la lumière nous parvient, ici sur Terre. Il n’y a aucun moyen pour nous de savoir quoi que ce soit sur cette étoile (ou autre objet) avant que sa lumière ne nous parvienne.

Mais ce qui, au premier abord, peut sembler une grande frustration est en fait un énorme avantage déguisé. Si les astronomes veulent vraiment reconstituer ce qui s’est passé dans l’univers depuis son origine, ils doivent trouver des preuves de chaque époque (ou période de temps) du passé. Où pouvons-nous trouver aujourd’hui des preuves d’événements cosmiques qui se sont produits il y a des milliards d’années ?

Le délai d’arrivée de la lumière apporte une réponse à cette question. Plus on regarde loin dans l’espace, plus la lumière a mis de temps pour arriver jusqu’ici, et plus elle a quitté son lieu d’origine il y a longtemps. En regardant à des milliards d’années-lumière dans l’espace, les astronomes voient en fait des milliards d’années dans le passé. De cette façon, nous pouvons reconstituer l’histoire du cosmos et avoir une idée de son évolution au fil du temps.

C’est l’une des raisons pour lesquelles les astronomes s’efforcent de construire des télescopes capables de recueillir de plus en plus de lumière faible dans l’univers. Plus nous collectons de lumière, plus les objets que nous pouvons observer sont faibles. En moyenne, les objets moins lumineux sont plus éloignés et peuvent donc nous renseigner sur des périodes de temps encore plus lointaines. Des instruments tels que le télescope spatial Hubble (figure 1.5) et le Très Grand Télescope du Chili (que vous découvrirez dans le chapitre sur les instruments astronomiques offrent aux astronomes des vues de l’espace lointain et du temps profond meilleures que toutes celles dont nous disposions auparavant.