Andromède – De la nébuleuse à la galaxie

Le mot galaxie dérive du mot grec galaxias signifiant laiteux, qui était le terme grec ancien pour désigner la Voie lactée cette bande indistincte d’étoiles visible à travers le ciel nocturne dans les régions qui ne souffrent pas d’une trop grande pollution lumineuse. Aujourd’hui, le terme galaxie est utilisé comme terme général pour désigner les très grands groupes d’étoiles dispersés dans l’univers. Les estimations actuelles du nombre total de galaxies vont de 2×1011 à 2×1012, voire plus. Face à ces nombres immenses, il est souvent facile d’oublier qu’il y a moins de cent ans, nous pensions encore que notre galaxie, la Voie lactée, était l’univers tout entier. Cela a changé le 1er janvier 1925, lorsque H.N. Russell a lu un article d’Edwin Hubble devant l’American Association for the Advancement of Science, qui établissait que les nébuleuses spirales étaient en fait des galaxies distinctes. Le chemin à travers l’histoire de l’astronomie menant à ce papier définissant une époque en 1925 remonte à près de mille ans et dans ce qui suit, je vais brièvement souligner certaines des stations importantes, presque toutes concernant notre voisin galactique le plus proche, Andromède, le long de ce chemin.

Le mot nébuleuse vient du latin et signifie un nuage, une brume, un brouillard, une fumée, une vapeur, une exhalaison, comme vous pouvez le voir la définition est assez nébuleuse. En astronomie, on peut remonter jusqu’à la Mathēmatikē Syntaxis de Ptolémée ou comme on l’appelle plus communément L’Almageste. Dans cet ouvrage fondateur de l’astronomie occidentale, Ptolémée énumère un total de six nébuleuses astronomiques sans leur accorder une grande attention. Toutes les nébuleuses de Ptolémée étaient en fait des amas d’étoiles indistincts, trop éloignés pour être résolus à l’œil nu. La première véritable nébuleuse, la nébuleuse d’Andromède, a été décrite par l’astronome perse Abd al-Rahman al-Sufi, généralement appelé Al Sufi, dans son Livre des étoiles fixes (en arabe : kitab suwar al-kawakib) vers 964 de notre ère. Il décrit et illustre la nébuleuse d’Andromède comme un petit nuage devant la bouche de la constellation arabe du Poisson.

Parmi ses autres observations télescopiques précoces, Galilée a montré que les nébuleuses ptolémaïques se résolvaient en de nombreuses étoiles invisibles lorsqu’elles étaient vues au télescope. En 1612, c’est toutefois le rival de Galilée, Simon Marius, qui a été le premier à tourner son télescope vers la nébuleuse d’Andromède et à constater qu’elle ne se résolvait pas en étoiles lorsqu’on l’observait à travers ses lentilles télescopiques. Dans son Mundus Iovialis (1614), Marius décrit ce qu’il a vu comme suit :

Parmi eux, le premier est qu’avec la lorgnette, à partir du 15 décembre 1612, j’ai découvert et observé une étoile fixe d’une certaine forme merveilleuse que je ne trouve pas dans tout le ciel. Elle se trouve près de la troisième et la plus septentrionale de la ceinture d’Andromède. Sans instrument, on la voit comme une sorte de petit nuage ; et avec l’instrument, on ne voit pas d’étoiles distinctes comme dans l’étoile nébuleuse du Cancer et d’autres étoiles nébuleuses, mais seulement des rayons blancs qui, plus on s’approche du centre, plus ils sont brillants ; au centre, il y a une lumière terne et pâle ; et son diamètre est d’environ un quart de degré. A peu près le même éclat apparaît lorsqu’une bougie brillante est observée à travers une lanterne claire à une longue distance.

La recherche sur les nébuleuses a connu son premier essor au XVIIIe siècle avec les travaux du chasseur de comètes français Charles Messier (1730-1817). Afin de permettre aux chasseurs de comètes de distinguer plus facilement les observations potentielles de comètes d’autres objets indistincts et nébuleux dans le ciel nocturne, Messier a commencé à compiler un catalogue des positions et de l’apparence de tous ces objets qu’il détectait au cours de ses veilles nocturnes. Son travail, dont la version finale a été publiée en 1781 et est maintenant connue sous le nom de Catalogue de Messier, contient une liste de 110 objets de Messier, à l’époque des nébuleuses et des amas d’étoiles. On sait aujourd’hui que les objets de Messier sont 39 galaxies, 5 nébuleuses planétaires, 7 autres types de nébuleuses et 55 amas d’étoiles. La nébuleuse d’Andromède, dont Messier, ignorant le livre d’Al Sufi, attribue faussement la découverte à Marius, est l’objet Messier M31.

Bien que le catalogue de Messier ait été compilé pour aider les chasseurs de comètes à différencier les comètes potentielles des autres objets célestes peu lumineux, il est généralement considéré comme un exemple précoce de ce que l’on appelle l’astronomie du ciel profond ; c’est-à-dire l’étude des objets bien en dehors du système solaire. L’homme qui a été le premier à pratiquer systématiquement l’astronomie du ciel profond est William Herschel, qui, avec sa sœur Caroline, a méthodiquement cartographié le ciel, quadrant par quadrant, en enregistrant avec son télescope à réflexion de 20 pieds tous les objets non stellaires qu’il pouvait trouver. Caroline et lui ont enregistré 2400 nébuleuses dans trois catalogues.

Ils ont classé les objets qu’ils ont enregistrés en huit classes : (I) nébuleuses brillantes, (II) nébuleuses faibles, (III) nébuleuses très faibles, (IV) nébuleuses planétaires, (V) très grandes nébuleuses, (VI) amas d’étoiles très comprimés et riches, (VII) amas comprimés de petites et grandes étoiles et (VIII) amas d’étoiles grossièrement dispersés. Élargi par son fils, puis par John Dreyer, le catalogue de Herschel devint en 1888 le Nouveau Catalogue Général (NGC) de 7840 objets du ciel profond. La numérotation du NGC est toujours utilisée pour la plupart des objets qui y sont répertoriés. En 1785, Herschel a observé une faible teinte rougeâtre dans la région centrale d’Andromède. Il pensait qu’Andromède était la plus proche de toutes les grandes nébuleuses.

En 1750, l’astronome anglais Thomas Wright (1711-1786) publia sa théorie originale sur les nouvelles hypothèses de l’univers dans laquelle il fut le premier à décrire correctement la forme de la galaxie Voie lactée. Il a également émis l’hypothèse que les nébuleuses peu lumineuses étaient en fait des galaxies lointaines. Cependant, ses pensées très perspicaces restaient des spéculations qu’il ne pouvait pas vérifier.

Intéressamment, ses spéculations ont été reprises par le philosophe allemand Emmanuel Kant (1724-1804) et développées dans son Allgemeine Naturgeschichte und Theorie des Himmels (Histoire naturelle universelle et théorie du ciel) (1755), publié anonymement. À l’époque, ni les théories de Wright ni celles de Kant n’ont reçu beaucoup de crédit, mais avec le recul, toutes deux ont été louées pour leur perspicacité.

En 1850, William Parsons, à l’aide du plus grand télescope à réflexion construit au XIXe siècle le Léviathan de Parsonstown, a pu identifier pour la première fois la structure en spirale de la nébuleuse d’Andromède. Ce n’était qu’une des séries de nébuleuses spirales, en réalité des galaxies, qu’il a pu identifier.

En 1864, William Huggins, pionnier de la spectroscopie stellaire, constate que le spectre d’Andromède diffère de celui d’une nébuleuse gazeuse. Le spectre, tel qu’observé par Huggins, avait les mêmes caractéristiques que le spectre des étoiles individuelles le conduisant à conclure qu’Andromède était en fait de nature stellaire.

Nous avons déjà parcouru un long chemin depuis le premier enregistrement d’un petit nuage par Al Sufi. En 1887, Isaac Roberts, qui pensait que les nébuleuses spirales étaient des systèmes solaires en cours de formation, a pris la toute première photographie d’Andromède.

En 1912, l’astronome américain Vesto Slipher a mesuré la vitesse de rotation d’Andromède en utilisant la spectroscopie à 300kilomètres par seconde la plus haute vitesse encore mesurée.

En 1917, Heber Curtis observe une nova dans Andromède et en découvre onze autres dans les archives photographiques. Celles-ci étaient en moyenne dix magnitudes plus faibles que les autres observées dans le ciel. Sur la base de ces données, il a estimé qu’Andromède était distante de 500 000 années-lumière. Curtis propose maintenant l’hypothèse des univers insulaires c’est-à-dire que les nébuleuses spirales sont en fait des galaxies indépendantes.

Le 26 avril 1920, Heber Curtis et Harlow Shapley ont tenu le soi-disant grand débat au Smithsonian Museum of Natural History sur la nature des nébuleuses spirales. Curtis soutenait qu’il s’agissait de galaxies indépendantes éloignées, Shapley qu’elles étaient beaucoup plus petites et beaucoup plus proches et donc à l’intérieur de la galaxie Voie lactée, qui était l’univers entier. Ce débat a élevé la question au rang de question prioritaire en astronomie.

En 1922, Ernst Öpik a mesuré la distance d’Andromède en utilisant la vitesse des étoiles. Son estimation était de 1 500 00 années-lumière.

Comme je l’ai dit dans le paragraphe d’introduction, Edwin Hubble a finalement réglé la question lorsqu’il a mesuré la distance d’Andromède en utilisant des étoiles variables céphéides et a prouvé de manière concluante qu’Andromède n’était pas une nébuleuse à l’intérieur de la Voie lactée mais une galaxie distincte. Avec ce résultat, l’ère de l’astronomie galactique était née.

D’intérêt la méthode de détermination des distances à l’aide des Céphéides a été développée par Henrietta Swan Leavitt, l’un des ordinateurs de Harvard, en enquêtant sur des milliers d’étoiles variables dans les nuages de Magellan en 1908 ; elle a publié ses résultats en 1912.

L’histoire du voyage historique d’Andromède, de la nébuleuse d’Al Sufi à la galaxie de Curtis, illustre très bien la façon dont les connaissances scientifiques se développent au fil du temps, avec des générations de chercheurs aux intérêts et motivations différents contribuant directement et indirectement à cette croissance.

Poste modifiée le 11 janvier 2018

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