Les distances impressionnantes du cosmos sont difficiles à visualiser, alors comment pouvons-nous être certains que nous les mesurons correctement? Chanda Prescod-weinstein explique
On estime que 500 000 étoiles brillent dans cette partie de la galaxie de la Voie lactée
L'un des grands défis pour communiquer sur l'espace et l'espace-temps est que l'univers est si grande que les échelles sont très difficiles à imaginer. Même essayer d'avoir une idée de notre système solaire peut être difficile. Si je devais faire un modèle à l'échelle dans laquelle le soleil mesure 1 centimètre, je devrais ranger Pluton à 42 mètres. Je ne sais pas pour votre maison, mais le mien n'a pas de salle de bal – ce qui concernerait cette longueur.
Pourtant, notre système solaire est minuscule sur l'échelle de la Voie lactée. Ignorant le fait que notre galaxie existe dans un halo de matière noire invisible qui s'étend bien au-delà des parties visibles, la Voie lactée est si grande qu'il faudrait environ 100 000 ans pour le traverser. En revanche, la lumière passe du soleil à Pluton en seulement 5,5 heures.
Vous avez peut-être remarqué que je suis passé des distances quotidiennes aux unités liées à la vitesse de la lumière. Cent mille années-lumière est de 9,46 × 1020 mètres. Comment pourrais-je même vous dire de visualiser cela? Je pourrais aussi bien dire que ce sont des salles de bal Bajillion. Et la Voie lactée est assez petite par rapport au cosmos. Ce n'est même pas une galaxie particulièrement grande. Notre voisin Andromeda est deux fois plus large.
En plus de cela, l'espace-temps se développe. Cela n'affecte pas les mesures de distance dans des régions liées à la gravitation comme notre système solaire ou la voie lactée. Cela n'affecte même pas nécessairement les distances entre les galaxies: la Voie lactée et Andromède se dirigent en fait les unes vers les autres, bien que la collision éventuelle ressemblera plus à une danse douce que les voitures qui s'écrasent, et il est au moins 4,5 milliards d'années, alors n'ayez pas peur!
Mais sur les plus grandes échelles, l'espace-temps s'étire et des groupes de galaxies sont éloignés les uns des autres. Ceci est connu comme l'expansion de Hubble, et cela signifie que de nombreuses mesures de la distance dans l'univers changeront. Dans des milliards d'années, les gens obtiendront un chiffre différent pour l'écart entre nous et le cluster Virgo Galaxy, qui est actuellement à 50 millions d'années-lumière.
En principe, ces chiffres sont impressionnants, mais il est également compréhensible qu'ils invitent un certain scepticisme. Tout d'abord, comment pouvons-nous être si certains de ces mesures? C'est en fait un problème subtil en astronomie. La façon dont nous le faisons est de construire une «échelle» de mesures, utilisant souvent des objets de luminosité connue comme certains types d'étoiles, qui nous permettent d'évaluer la distance.
Dans nos images de galaxies éloignées, pourquoi ne les voyons-nous pas comme un flou, étant donné que l'espace-temps se développe?
Le plus bas – le plus simple – consiste à utiliser des étoiles variables Cepheid, qui impulsent régulièrement, pour calculer à quelle distance les choses sont. Ceux-ci sont efficaces jusqu'à une certaine distance, à quel point nous devons passer à autre chose. Au cours des 30 dernières années, les astronomes ont utilisé des types spécifiques de supernovae ou d'étoiles mourantes, car nous savons comment caractériser la façon dont leur lumière est étendue par l'expansion de l'espace-temps. Il existe également d'autres façons, certains utilisant ce que nous savons des étoiles géantes rouges les plus brillantes.
Nous avons un niveau élevé de confiance dans notre capacité à mesurer de longues distances, mais je comprends pourquoi, malgré cela, j'ai reçu quelques questions de lecteurs liés à cela. L'une concerne ce qui arrive à la lumière à mesure que l'univers se développe. Une partie standard de notre image cosmologique est que, tout comme la fréquence d'une sirène qui s'éloigne de nous est décalée, les ondes légères s'étendent à mesure que l'espace-temps se développe, rougeurant la lumière. La mesure de ce décalage vers le rouge est cruciale pour notre utilisation de supernovae pour évaluer la distance, comme mentionné précédemment.
Redshift signifie également que la lumière est d'une énergie plus faible qu'auparavant. Mais il n'y a pas d'endroit apparent que l'énergie perdue va, ce qui semble suspect. Habituellement, lorsque nous nous débarrassons de l'énergie, cela va quelque part. Cela est nécessaire dans la physique newtonienne. Ce n'est cependant pas dans la relativité générale. En d'autres termes, la chose qui nous permet de mesurer de longues distances est également quelque chose qui viole nos notions quotidiennes sur la façon dont l'énergie se déplace dans l'univers.
Une autre question connexe qui est venue récemment d'un lecteur concerne des photos de galaxies lointaines, comme celles parmi les premières images de l'Observatoire de New Vera C. Rubin. Ne devrions-nous pas voir les galaxies comme un flou, alors que l'espace-temps se développe?
La chose importante à garder à l'esprit ici est que «voir» l'expansion de l'espace-temps n'est pas comme regarder Lewis Hamilton en F1. C'est beaucoup plus comme regarder F1 si une course a pris des milliards d'années, vraiment, vraiment loin. À cette échelle, les voitures ne bougeraient pas visiblement. La seule façon dont nous savons que les galaxies s'éloignent de nous est de mesurer quelque chose comme le décalage vers le rouge, et ce n'est qu'une mesure de la façon dont la lumière est étirée, et non une observation du mouvement en temps réel de la galaxie.
J'aime particulièrement ce genre de questions car ils vont au cœur des métaphores que nous utilisons les communicateurs scientifiques pour parler à notre public. J'apprécie que Nouveau scientifique Les lecteurs poussent ces métaphores à leurs limites!
La semaine de Chanda
Ce que je lis
Pour des raisons qui deviendront publiques, beaucoup de Alice's Adventures in Wonderland.
Ce que je regarde
J'ai finalement vu et apprécié Station onze.
Sur quoi je travaille
J'ai beaucoup réfléchi à ce que sont vraiment les champs quantiques. Étrange!
Chanda Prescod-Weinstein est professeur agrégé de physique et d'astronomie, et membre de base du corps professoral en études de femmes à l'Université du New Hampshire. Son livre le plus récent est The Disorderred Cosmos: A Journey Into Dark Matter, SpaceTime et Dreams différés
