Chapitre 2 : La lumière, messagère du passé

Nuit 8 : Deux heures sur le tapis de course

Au huitième jour sur la station, Noor avait trouvé son rythme. Elle se réveillait quand son réveil vibrait doucement à l’intérieur du sac de couchage, ouvrait la fermeture éclair et sortait en flottant dans l’étroit couloir. Elle se brossait les dents avec un dentifrice qui peut s’avaler, car il n’y a pas de lavabo où cracher. Elle se lavait le visage avec un linge humide et les cheveux avec un shampooing qui n’a pas besoin d’être rincé. Le petit-déjeuner se composait d’un sachet de porridge, rempli d’eau chaude à un petit robinet, et d’une poche de café bue à la paille.

Puis, comme chaque jour, venait l’exercice physique. En apesanteur, le corps remarque vite qu’il n’a plus à se porter lui-même. Les os perdent une partie de leur solidité, et les muscles, surtout ceux des jambes et du dos, s’affaiblissent. Pour ralentir ce phénomène, chaque personne à bord de la station fait environ deux heures d’exercice par jour. Noor commença par le tapis de course. Comme elle se serait simplement éloignée en flottant, elle portait un harnais muni de deux sangles élastiques qui la tiraient vers la bande de course. Les sangles appuyaient sur ses hanches et ses épaules, et courir lui semblait étrangement lourd et léger à la fois.

Après le tapis venait le vélo, qui n’a pas de roues ni de selle sur laquelle on s’assoie vraiment, puis une machine de musculation. Cette machine n’utilise pas de poids, car un poids ne tomberait pas. Elle tire plutôt sur les bras et les jambes avec une force constante, si bien que Noor peut faire des flexions et des soulevés comme dans une salle de sport sur Terre. À la fin, son tee-shirt était humide. En apesanteur, la sueur ne coule pas le long du corps. Elle s’amasse en petites plaques brillantes sur la peau, et Noor l’essuyait avec une serviette. Plus tard, les machines de la station récupéreraient cette humidité dans l’air pour la transformer de nouveau en eau potable.

Le reste de la journée fut consacré à la maintenance : remplacer un filtre, vérifier une pompe, suivre une longue liste de contrôle envoyée par les équipes au sol. Ce soir-là, avant de dormir, Noor se rendit à la grande fenêtre. La station venait d’entrer dans l’ombre de la Terre. Une fois les lumières de la petite pièce éteintes, ses yeux s’habituèrent lentement, et les étoiles apparurent une à une. Elle remarqua une chose qu’elle connaissait par ses lectures mais n’avait jamais vue. Les étoiles ne scintillaient pas. Chacune était un point calme et immobile.

Sur Terre, les étoiles scintillent parce que leur lumière traverse l’air en mouvement au-dessus de nous, qui la dévie un peu d’un côté, puis un peu de l’autre. Au-dessus de l’air, rien ne vient troubler la lumière. Noor regarda longtemps une étoile brillante et pensa à une question que Sami lui avait envoyée la veille : « Quand je regarde une étoile, est-ce que je la vois telle qu’elle est en ce moment ? » Elle savait que la réponse était non. Et elle savait que c’était la clé de toute l’histoire du commencement.

La plus rapide des messagères

La lumière est la chose la plus rapide que nous connaissions. Elle parcourt environ 300 000 kilomètres chaque seconde. C’est assez rapide pour faire plus de sept fois le tour de la Terre en une seule seconde. Si vous allumez une lampe dans votre cuisine, la lumière atteint le mur d’en face si vite que cela semble instantané. Pour presque tous les usages de la vie quotidienne, on peut considérer que la lumière arrive au moment même où elle part.

Vous connaissez peut-être déjà une façon de sentir la différence entre une messagère rapide et une plus lente. Pendant un orage, on voit d’abord l’éclair et on entend le tonnerre ensuite. La lumière vous parvient presque immédiatement, tandis que le son, qui voyage près d’un million de fois plus lentement, met quelques secondes pour chaque kilomètre. Beaucoup de gens comptent les secondes entre l’éclair et le grondement pour estimer la distance de l’orage. Les astronomes font quelque chose de semblable avec la lumière seule, mais leurs secondes deviennent des minutes, des années et des millions d’années.

Pourtant, la lumière n’est pas instantanée. Elle prend du temps, et à l’échelle de l’espace, ce temps devient très sensible. C’est l’un des faits les plus utiles de toute l’astronomie. Presque tout ce que nous savons des étoiles et des galaxies, nous le savons grâce à la lumière qu’elles nous envoient. La lumière est la messagère qui apporte des nouvelles du reste de l’Univers. Et comme toute messagère qui a fait un long voyage, elle apporte des nouvelles qui ne sont plus tout à fait fraîches.

Pensez à une lettre envoyée par la poste par une amie qui vit loin. Quand vous l’ouvrez, vous lisez ce que votre amie faisait et ressentait le jour où elle l’a écrite. Le temps que vous la lisiez, elle a peut-être déménagé, changé de travail ou oublié ce qu’elle avait écrit. La lettre dit vrai, mais c’est une image vraie du passé. La lumière du ciel ressemble à cette lettre. Elle dit toujours la vérité sur le moment où elle est partie, et jamais sur le moment où elle arrive.

Avec la lumière, le retard dépend de la distance. Plus une chose est loin, plus sa lumière voyage depuis longtemps, et plus les nouvelles qu’elle apporte sont anciennes. De près, le retard est minuscule. De loin, il devient immense. Cette idée simple signifie que lorsque nous regardons le ciel, nous ne regardons pas un seul instant. Nous regardons de nombreux instants différents du passé, tous à la fois, superposés comme les pages d’un livre.

La Lune il y a un instant, le Soleil il y a quelques minutes

Commençons tout près de chez nous. La Lune se trouve à environ 384 000 kilomètres de la Terre. Sa lumière, qui est en réalité la lumière du Soleil renvoyée par sa surface grise, met environ 1,3 seconde à nous parvenir. Quand vous regardez la Lune, vous la voyez donc telle qu’elle était il y a un peu plus d’une seconde. C’est un retard presque trop petit pour compter, mais il est bien réel. Lorsque des astronautes ont autrefois parlé au sol depuis la Lune, chaque conversation comportait une courte pause, parce que leurs voix, portées par des ondes radio qui voyagent à la vitesse de la lumière, avaient besoin de ce temps pour franchir la distance aller et retour.

Le Soleil est beaucoup plus loin, à environ 150 millions de kilomètres. Sa lumière met environ 8 minutes à nous parvenir. Cela signifie que le Soleil que vous voyez dans le ciel du matin est le Soleil d’il y a 8 minutes. Si le Soleil changeait soudain d’une manière ou d’une autre, nous ne le saurions qu’au bout d’environ 8 minutes. Rien de tel ne va se produire, mais c’est une pensée frappante. Chaque lever de soleil que Noor contemple depuis la station, seize fois par jour, est en réalité une image du Soleil tel qu’il était quelques minutes plus tôt.

Les planètes situées entre nous et les étoiles montrent ce même retard de façon très concrète. Les robots qui explorent la surface de Mars ne peuvent pas être pilotés comme une petite voiture télécommandée. Un signal radio met plusieurs minutes à les atteindre, et parfois plus de vingt minutes, selon la position de Mars et de la Terre sur leurs trajets autour du Soleil. Le temps qu’une image du robot arrive sur Terre, le robot se trouve déjà là depuis plusieurs minutes. Les équipes qui les pilotent préparent donc à l’avance les mouvements de chaque journée et envoient une liste d’instructions, un peu comme une responsable qui laisse des notes à l’équipe de nuit.

Au-delà du Soleil, les distances font un bond énorme. L’étoile la plus proche après le Soleil est si loin que sa lumière met un peu plus de quatre ans à nous parvenir. La lumière qui en arrive ce soir l’a quittée il y a environ quatre ans. La plupart des étoiles que vous pouvez voir à l’œil nu par une nuit claire sont bien plus lointaines. Leur lumière est partie il y a des dizaines, des centaines, voire quelques milliers d’années. Une partie de la lumière des étoiles qui entre dans vos yeux ce soir a commencé son voyage avant la naissance de vos grands-parents.

Et puis il y a les galaxies. La grande galaxie appelée Andromède, que nous rencontrerons vraiment lors de la prochaine nuit de ce livre, se trouve à environ 2,5 millions d’années-lumière. La faible tache de lumière que l’on peut voir depuis un endroit très sombre l’a quittée il y a environ 2,5 millions d’années. Autrement dit, la lumière d’Andromède qui atteint vos yeux voyage depuis plus longtemps que notre propre espèce n’existe. Les galaxies plus lointaines que les grands télescopes peuvent voir envoient une lumière qui les a quittées il y a des milliards d’années.

Une énigme d’horloger dans le ciel

Pendant très longtemps, de nombreux penseurs ont cru que la lumière voyageait réellement de façon instantanée. D’autres soupçonnaient qu’elle prenait du temps, mais personne ne pouvait le mesurer, car sur Terre elle est tout simplement trop rapide. La première preuve solide que la lumière prend du temps est venue du ciel, et du travail patient d’un jeune astronome nommé Ole Rømer, en 1676.

Rømer étudiait les lunes de la planète Jupiter. Jupiter possède plusieurs grandes lunes, aperçues pour la première fois au télescope au début des années 1600, et elles tournent autour de la planète comme les aiguilles d’une horloge très régulière. L’une d’elles, la plus proche de Jupiter parmi les grandes lunes, en fait le tour en moins de deux jours. Chaque fois qu’elle passe derrière la planète, elle disparaît dans l’ombre de Jupiter, puis réapparaît. Comme ces disparitions se produisent avec une grande régularité, les astronomes espéraient s’en servir comme d’une horloge dans le ciel, que les marins et les cartographes pourraient consulter de n’importe où.

Mais il y avait un problème. Les disparitions de cette lune ne respectaient pas parfaitement l’heure. Au fil des mois, elles semblaient avoir quelques minutes d’avance à certaines périodes de l’année et quelques minutes de retard à d’autres. Rømer remarqua que ces retards suivaient une logique. Quand la Terre, sur son propre trajet autour du Soleil, s’éloignait de Jupiter, les disparitions survenaient de plus en plus tard. Quand la Terre se rapprochait de Jupiter, elles survenaient plus tôt.

L’explication de Rømer était simple et audacieuse. La lune gardait parfaitement l’heure. Ce qui changeait, c’était la distance que la lumière devait parcourir pour nous atteindre. Quand la Terre se trouvait du côté éloigné de son trajet, la lumière venue du système de Jupiter avait plusieurs minutes de voyage supplémentaires à faire, si bien que la nouvelle de chaque disparition arrivait en retard. La lumière, conclut-il, n’était pas instantanée. Elle avait une vitesse. Les calculs tirés de ses travaux donnèrent une valeur un peu plus faible que la valeur moderne, mais du bon ordre de grandeur. Pour la première fois, on avait une idée de la vitesse à laquelle voyage la messagère.

Il y a quelque chose de très humain dans cette histoire. Rømer ne cherchait pas à faire une grande découverte sur la lumière. Il cherchait à fabriquer une meilleure horloge, pour un travail pratique. Il remarqua que l’horloge se trompait, et au lieu d’ignorer la petite erreur, il la prit au sérieux. Bien des découvertes de l’histoire de l’Univers commencent ainsi, avec une personne attentive à un petit détail qui ne colle pas.

Regarder loin, c’est regarder en arrière

Comme la lumière prend du temps, les astronomes mesurent les grandes distances de l’espace par le temps que met la lumière à les parcourir. La plus célèbre de ces mesures est l’année-lumière. Une année-lumière est la distance que la lumière parcourt en un an. Elle représente environ 9 500 milliards de kilomètres. Ce nombre est si grand qu’il est difficile de se le représenter, mais l’idée qui le sous-tend est simple : une année-lumière, c’est la distance que parcourt la plus rapide des messagères en un an de voyage sans repos.

Les années-lumière donnent à la fois la distance et le temps. Si une galaxie se trouve à 10 millions d’années-lumière, sa lumière voyage depuis 10 millions d’années. Si une galaxie est à un milliard d’années-lumière, sa lumière est partie il y a un milliard d’années. Ainsi, chaque fois que les astronomes regardent plus profondément dans l’espace, ils remontent aussi plus loin dans le temps. Un télescope capable de voir des galaxies très faibles et très lointaines est aussi un télescope capable de voir l’Univers quand il était plus jeune.

C’est pour cela que l’étude du commencement de l’Univers est seulement possible. Nous ne pouvons pas remonter 13 milliards d’années en arrière. Mais une lumière vieille de 13 milliards d’années arrive encore aujourd’hui, en provenance de lieux très lointains. En la recueillant, les astronomes peuvent observer des galaxies telles qu’elles étaient quand l’Univers était jeune, les comparer aux galaxies proches de nous et voir comment les choses ont changé. C’est un peu comme recevoir par la poste, le même jour, des photographies d’une ville prises au fil de nombreuses années.

Imaginez que vous travaillez de nuit dans un grand établissement et que vous arrivez juste au moment où l’équipe de jour s’en va. Vous ne voyez jamais sa journée de travail. Mais vous pouvez lire les notes qu’elle a laissées, voir quelles machines sont encore chaudes, quels cartons ont été déplacés et quelles tâches sont à moitié terminées. À partir de ces traces, vous pouvez reconstituer une bonne image de ce qui s’est passé pendant votre absence. Les astronomes ressemblent un peu à ce travailleur de nuit. Ils arrivent longtemps après que l’Univers primitif est passé, mais la lumière qu’il a laissée derrière lui leur permet de reconstituer sa journée.

Il y a une limite à la distance dans le passé où la lumière peut nous emmener, et nous l’atteindrons lors d’une nuit prochaine. Avant une certaine époque, l’Univers entier était rempli d’un brouillard chaud et lumineux que la lumière ne pouvait pas traverser librement. La plus ancienne lumière qui puisse nous parvenir vient du moment où ce brouillard s’est dissipé. Au-delà, il faut recourir à d’autres indices. Mais l’idée reste la même tout du long : l’Univers nous a laissé des messages, et ces messages continuent d’arriver.

C’est une chose étrange et merveilleuse. Vous n’avez besoin d’aucun équipement particulier pour y prendre part. Chaque fois que vous regardez une étoile, vous recevez un message qui voyage depuis des années ou des siècles. Le passé n’a pas complètement disparu. Une partie de lui est encore en route vers nous, traversant l’obscurité à environ 300 000 kilomètres par seconde.

Un message pour Sami

Noor flotta encore un moment dans la pièce sombre, jusqu’à ce que la station revienne dans la lumière du Soleil et que les étoiles s’effacent derrière l’éblouissement. Puis elle regagna sa cabine, se glissa dans son sac de couchage et écrivit à son frère. « Réponse à ta question : non. On voit toujours une étoile telle qu’elle était quand sa lumière l’a quittée. Le Soleil, il y a 8 minutes. La plupart des étoiles, il y a bien des années. Les galaxies lointaines, il y a des millions ou des milliards d’années. Regarder loin, c’est regarder en arrière. »

Quelques heures plus tard, garé au bord d’une route tranquille avec un gobelet de café sorti d’un thermos, Sami lut le message et leva les yeux à travers le pare-brise de son camion. Il n’y avait pas beaucoup d’étoiles, à cause des lumières le long de la route, mais il en trouva une brillante au-dessus des arbres. Il pensa au temps que sa lumière avait mis à voyager, jusqu’à son pare-brise, à trois heures du matin, au milieu de sa nuit de travail.

Si vous avez un moment ce soir, vous pourriez faire de même. Regardez n’importe quelle étoile visible. Sa lumière est partie il y a longtemps, avant même que bien des choses qui vous préoccupent aujourd’hui aient commencé. Elle a voyagé pendant tout ce temps, et elle arrive ce soir, à votre fenêtre, pour que vous la remarquiez ou non. Il y a là une forme tranquille de compagnie.

Idées reçues

Beaucoup de gens pensent que la plupart des étoiles qu’ils voient la nuit sont déjà mortes, et que nous ne voyons que leur vieille lumière. Il est vrai que la lumière des étoiles est ancienne, et il est vrai que les étoiles ne vivent pas éternellement. Mais les étoiles visibles à l’œil nu sont, à l’échelle astronomique, assez proches. Presque toutes se trouvent à moins de quelques milliers d’années-lumière. Les étoiles de ce genre vivent généralement des millions ou des milliards d’années. Leur lumière est donc ancienne à l’échelle humaine, mais très jeune comparée à la vie des étoiles elles-mêmes. Presque toutes les étoiles que vous voyez ce soir brillent encore.

Une deuxième erreur courante vient du nom de l’année-lumière. Comme il contient le mot « année », beaucoup de gens pensent qu’il s’agit d’une mesure de temps, comme un mois ou une décennie. En réalité, une année-lumière est une distance, d’environ 9 500 milliards de kilomètres. On l’appelle année-lumière parce que c’est la distance que la lumière parcourt en un an. Si quelqu’un vous dit qu’une galaxie se trouve à un million d’années-lumière, il vous dit à quelle distance elle est et, en même temps, sans le dire, depuis combien de temps sa lumière voyage.

Certains imaginent que les astronautes d’une station spatiale sont beaucoup plus près des étoiles que nous ne le sommes au sol. La station se trouve à environ 400 kilomètres au-dessus de la Terre. L’étoile la plus proche après le Soleil est à plus de quatre années-lumière. Comparés à cette distance, 400 kilomètres représentent bien moins que l’épaisseur d’un cheveu comparée à la largeur d’une rue en ville. Noor voit les étoiles plus nettement que vous, parce qu’il n’y a pas d’air entre elle et elles, et elle les voit sans scintillement. Mais elle n’en est pas sensiblement plus proche. Depuis la station, les étoiles paraissent tout aussi lointaines que depuis le pas de votre porte, et à tous égards importants, elles le sont.

Ce que la station offre à Noor, c’est une vue depuis le dessus de l’air, et c’est aussi pour cela que certains télescopes sont envoyés dans l’espace : non pour être plus près des étoiles, mais pour échapper à l’air qui brouille et arrête leur lumière. Ce qui compte, c’est la lumière elle-même, et elle est un témoignage honnête du lieu d’où elle vient. Au cours de son long voyage, elle peut traverser de la poussière ou être un peu déviée par l’attraction des galaxies, et les astronomes apprennent à en tenir compte, mais rien de tout cela ne change l’endroit où la lumière est partie ni ce qu’elle a emporté avec elle. C’est pourquoi les astronomes lui font tellement confiance, et c’est pourquoi, lors de la prochaine nuit de ce livre, nous la suivrons jusqu’à une découverte qui a soudain rendu l’Univers bien plus grand que quiconque ne l’avait imaginé.