Mon télescope, mis en place pour l'astrophotographie dans mon arrière-cour de San Diego à pollue légère, a été pointé sur une galaxie peu loin de la Terre. Ma femme, Cristina, est montée juste au moment où la première photo d'espace s'est coulée sur ma tablette. Il a brillé sur l'écran devant nous.
« C'est la galaxie du coup de poing », ai-je dit. Le nom est dérivé de sa forme – bien que ce coup de pin contient environ un billion d'étoiles.
La lumière du Pinwheel a parcouru 25 millions d'années à travers l'univers – environ 150 quintillions de miles – pour se rendre à mon télescope.
Ma femme s'est demandé: « La lumière ne se fatigue pas pendant un si long voyage? »
Sa curiosité a déclenché une conversation stimulante sur la lumière. En fin de compte, pourquoi la lumière ne se porte-t-elle pas et ne perd-elle pas de l'énergie au fil du temps?
Parlons de lumière
Je suis astrophysicien, et l'une des premières choses que j'ai apprises dans mes études est la lumière qui se comporte souvent d'une manière qui défie nos intuitions.
La lumière est un rayonnement électromagnétique: fondamentalement, une onde électrique et une onde magnétique couplée et se déplacer à travers l'espace-temps. Il n'a pas de masse. Ce point est essentiel car la masse d'un objet, que ce soit un grain de poussière ou un vaisseau spatial, limite la vitesse de pointe qu'elle peut voyager dans l'espace.
Mais parce que la lumière est sans masse, il est capable d'atteindre la limite de vitesse maximale dans le vide – environ 186 000 miles (300 000 kilomètres) par seconde, soit près de 6 billions de miles par an (9,6 billions de kilomètres). Rien de voyage dans l'espace n'est plus rapide. Pour mettre cela en perspective: dans le temps qu'il vous faut pour cligner des yeux, une particule de lumière se déplace autour de la circonférence de la Terre plus de deux fois.
Aussi rapide que cela soit, l'espace est incroyablement étalé. La lumière du soleil, qui est de 93 millions de miles (environ 150 millions de kilomètres) de la Terre, prend un peu plus de huit minutes pour nous atteindre. En d'autres termes, la lumière du soleil que vous voyez a huit minutes.
Alpha Centauri, l'étoile la plus proche de nous après le soleil, est à 26 billions de kilomètres (environ 41 billions de kilomètres). Donc, au moment où vous le voyez dans le ciel nocturne, sa lumière a un peu plus de quatre ans. Ou, comme le disent les astronomes, il est à quatre années-lumière.
Avec ces énormes distances à l'esprit, considérez la question de Cristina: comment la lumière peut-elle voyager à travers l'univers et ne pas perdre lentement de l'énergie?
En fait, une certaine lumière perd de l'énergie. Cela se produit lorsqu'il rebondit quelque chose, comme la poussière interstellaire, et est dispersé.
Mais la plupart des lésions vont et vont, sans entrer en collision avec quoi que ce soit. C'est presque toujours le cas parce que l'espace est principalement vide – rien. Il n'y a donc rien dans le chemin.
Lorsque la lumière se rend sans entrave, elle ne perd aucune énergie. Il peut maintenir cette vitesse de 186 000 milles par seconde pour toujours.
Il est temps
Voici un autre concept: Imaginez-vous en tant qu'astronaute à bord de la Station spatiale internationale. Vous en orbite à 17 000 miles (environ 27 000 kilomètres) par heure. Comparé à quelqu'un sur Terre, votre montre-bracelet cochera 0,01 seconde plus lente sur un an.
C'est un exemple de dilatation de temps – le temps se déplaçant à différentes vitesses dans différentes conditions. Si vous vous déplacez très rapidement ou près d'un grand champ gravitationnel, votre horloge cochera plus lentement que quelqu'un se déplaçant plus lentement que vous, ou qui est plus éloigné d'un grand champ gravitationnel. Pour le dire succinctement, le temps est relatif.
Considérez maintenant que la lumière est inextricablement liée au temps. Image assise sur un photon, une particule fondamentale de la lumière; Ici, vous ressentez une dilatation de temps maximale. Tout le monde sur Terre vous chronométrerait à la vitesse de la lumière, mais dans votre cadre de référence, le temps s'arrêterait complètement.
En effet, le temps de mesure des « horloges » est dans deux endroits différents qui deviennent des vitesses très différentes: le photon se déplaçant à la vitesse de la lumière et la vitesse relativement lente de la terre qui contourne le soleil.
De plus, lorsque vous voyagez ou près de la vitesse de la lumière, la distance entre où vous êtes et où vous allez se raccourci. Autrement dit, l'espace lui-même devient plus compact dans le sens du mouvement – donc plus vite vous pouvez aller, plus votre voyage doit être court. En d'autres termes, pour le photon, l'espace est écrasé.
Ce qui nous ramène à ma photo de la galaxie de la roue de pin. Du point de vue du photon, une étoile dans la galaxie l'émettait, puis un seul pixel dans mon appareil photo d'arrière-cour l'a absorbé exactement au même moment. Parce que l'espace est écrasé, au photon, le voyage était infiniment rapide et infiniment court, une infime fraction de seconde.
Mais de notre point de vue sur Terre, le photon a quitté la galaxie il y a 25 millions d'années et a parcouru 25 millions d'années-lumière à travers l'espace jusqu'à ce qu'il atterrisse sur ma tablette dans mon arrière-cour.
Et là, par une nuit de printemps fraîche, son image étonnante a inspiré une délicieuse conversation entre un scientifique ringard et sa curieuse épouse.
