Chapitre 3 : L’Univers était plus grand qu’on ne le pensait

Nuit 19 : Des laitues sous une lumière rose

Le dix-neuvième jour, Noor passa la matinée à jardiner. Dans un coin de la station se trouve une petite chambre de culture, de la taille d’un placard de cuisine, où des plantes poussent sous des lumières colorées. La lumière est un mélange de rouge et de bleu, ce qui fait briller la chambre d’une teinte rose. Le rouge et le bleu sont les couleurs dont les feuilles se servent le plus pour pousser, si bien qu’il est inutile de gaspiller de l’énergie pour les autres. À l’intérieur, une rangée de jeunes laitues sortait de petits coussins de tissu remplis d’un substrat ressemblant à de l’argile et d’engrais.

Sa tâche consistait à examiner chaque plante, à prendre des photos, à mesurer les feuilles et à ajouter une quantité d’eau soigneusement dosée par un tube fin. En apesanteur, l’eau ne s’infiltre pas vers le bas comme dans la terre sur Terre. Elle peut former une boule et rester posée en surface, ou ramper le long du coussin, et il faut donc la donner lentement. Les racines, elles aussi, ont un problème étrange. Sur Terre, les racines poussent vers le bas parce qu’elles perçoivent l’attraction de la gravité. Ici, il n’y a pas de « bas » à ressentir, alors les plantes se fient surtout à la direction de la lumière. Les feuilles se tendent vers les lampes, et les racines poussent surtout dans l’autre sens, dans le substrat humide.

Noor aimait ce travail. Il lui semblait proche de la vie ordinaire, comme entretenir un petit potager sur un balcon. Les scientifiques au sol étudieraient ses photos et ses mesures pour apprendre comment des plantes pourraient un jour nourrir des équipages lors de longs voyages, et dans quelques semaines, l’équipage aurait le droit de manger quelques feuilles. Ade avait déjà annoncé qu’il apporterait le sel.

L’après-midi, Tomás lui demanda de l’aider à une autre tâche : charger du matériel usagé et des déchets dans un vaisseau cargo qui quitterait plus tard la station pour se consumer sans danger dans la haute atmosphère. C’était le genre de travail qui existe dans tous les lieux de travail, celui que personne ne photographie. Chaque sac devait être étiqueté, pesé sur un appareil spécial et sanglé à sa place, afin que rien ne bouge au moment où les moteurs du vaisseau s’allumeraient. Quand ils eurent terminé, la petite cabine du cargo ressemblait à un camion de déménagement bien chargé, et Noor avait les bras fatigués d’avoir poussé de lourds sacs qui ne pesaient rien.

Ce soir-là, une fois la dernière liste de contrôle terminée, Noor se rendit à la fenêtre. La station entra dans l’obscurité au-dessus d’un océan, où il n’y avait aucune lumière de ville. Quand ses yeux se furent habitués, elle vit une pâle bande de lumière traverser le ciel, irrégulière et douce, comme une traînée de brume. C’était la Voie lactée. Sur Terre, elle ne l’avait vue que quelques fois, loin des villes, mais ici elle était nette et large. Elle se souvint qu’il y a une centaine d’années seulement, de nombreux astronomes croyaient que cette bande, et les étoiles qui l’entourent, constituaient l’Univers tout entier.

Quand elle écrivit à Sami ce soir-là, elle commença par une question à elle. « Tu sais quelle taille avait l’Univers en 1900 ? Pas l’Univers réel. L’Univers auquel les gens croyaient. »

Un Univers d’une seule galaxie

La pâle bande de la Voie lactée est notre propre galaxie, vue de l’intérieur. Une galaxie est une immense famille d’étoiles, de gaz et de poussière, maintenue ensemble par la gravité. Notre galaxie a à peu près la forme d’un disque plat avec un renflement au milieu. Le Soleil est une étoile de ce disque, loin du centre, environ à mi-chemin du bord. Quand nous regardons le long du disque, nous voyons tant d’étoiles lointaines serrées les unes contre les autres qu’elles se fondent en une bande douce. Quand nous regardons ailleurs que vers le disque, nous voyons moins d’étoiles et davantage d’obscurité.

Une image simple peut aider. Imaginez-vous debout au milieu d’une grande forêt, sur un terrain plat. Si vous regardez droit devant vous, dans n’importe quelle direction le long du sol, les arbres se chevauchent si densément que vous voyez un mur de troncs. Si vous regardez droit vers le haut, vous ne voyez que quelques branches, puis le ciel dégagé. Nous vivons à l’intérieur du disque de notre galaxie comme une personne au milieu de cette forêt. En regardant le long du disque, nous voyons un mur d’étoiles serrées, la pâle bande. En regardant hors du disque, nous voyons l’espace dégagé.

Nous savons aujourd’hui que la Voie lactée mesure environ 100 000 années-lumière d’un bord à l’autre et qu’elle contient des centaines de milliards d’étoiles. C’est déjà une taille presque impossible à se représenter. La lumière, la plus rapide des messagères, a besoin d’environ 100 000 ans rien que pour la traverser d’un côté à l’autre. Pourtant, au début du vingtième siècle, de nombreux astronomes pensaient que c’était tout. Dans leur représentation, l’Univers était une grande île d’étoiles flottant dans une mer sombre et sans fin, sans rien au-delà.

Cette représentation comportait une énigme. Grâce aux télescopes, les astronomes avaient trouvé de nombreuses taches de lumière faibles et floues dispersées dans le ciel. Ils les appelaient des nébuleuses, d’un vieux mot désignant les nuages ou la brume. Certaines de ces nébuleuses étaient clairement des nuages de gaz lumineux parmi les étoiles. Mais d’autres étaient différentes. Beaucoup avaient une magnifique forme de spirale, comme l’eau qui tourbillonne dans un siphon, et elles semblaient faites d’une lumière douce qu’aucun télescope de l’époque ne parvenait à séparer en étoiles distinctes. On les appelait les nébuleuses spirales.

Qu’étaient-elles ? Certains astronomes pensaient qu’il s’agissait de petits nuages à l’intérieur de notre propre galaxie, peut-être de nouveaux systèmes d’étoiles en train de naître. D’autres pensaient qu’elles pouvaient être des galaxies à part entière, si lointaines que leurs milliards d’étoiles se fondaient en une brume, exactement comme la Voie lactée le fait pour nous. L’idée qu’il puisse exister d’autres galaxies, d’autres « univers-îles », n’était pas nouvelle. Des penseurs l’avaient suggérée plus d’un siècle auparavant. Mais personne ne pouvait trancher dans un sens ou dans l’autre, parce que personne ne pouvait mesurer à quelle distance se trouvaient les nébuleuses spirales.

C’est la difficulté centrale de l’astronomie. Quand vous regardez une lumière dans le ciel, vous ne pouvez pas facilement savoir s’il s’agit d’une lumière faible toute proche ou d’une lumière puissante très lointaine. Une bougie à l’autre bout d’une pièce et un phare sur une côte éloignée peuvent paraître aussi brillants l’un que l’autre. Pour mesurer la taille de l’Univers, les astronomes avaient besoin d’un moyen de connaître l’éclat réel d’une lumière. Il leur fallait ce que l’on appelle parfois une chandelle standard : un type de lumière dont l’éclat véritable est connu, de sorte que l’on puisse calculer sa distance à partir de l’éclat qu’elle semble avoir.

La femme qui mesurait les étoiles

La clé vint d’une femme nommée Henrietta Leavitt. Au début des années 1900, elle travaillait dans un observatoire au sein d’une équipe de femmes employées pour étudier des plaques photographiques. Il s’agissait de plaques de verre recouvertes d’une couche sensible à la lumière, placées au bout d’un télescope pour enregistrer les étoiles. Nuit après nuit, le télescope prenait des photos. Jour après jour, les femmes les examinaient à la loupe, mesuraient l’éclat des étoiles, comparaient des plaques prises à des nuits différentes et notaient tout avec soin.

C’était un travail lent et patient, et il n’était pas bien payé. On appelait souvent ces femmes des calculatrices, parce que leur métier consistait à calculer, à l’époque où les machines ne le faisaient pas encore. Beaucoup d’entre elles étaient des astronomes très compétentes, même si on leur donnait rarement ce titre à l’époque. La tâche de Leavitt consistait à repérer des étoiles dont l’éclat variait au fil du temps. Elle étudia des plaques de deux petites galaxies en forme de nuages, visibles depuis la moitié sud de la Terre. Elle y trouva plus d’un millier de ces étoiles variables.

Parmi elles se trouvait un type particulier d’étoile qui devient plus brillante puis plus faible selon un rythme régulier, comme un cœur qui bat lentement, sur une période allant d’environ un jour à plusieurs semaines. Ces étoiles s’appellent des céphéides. Leavitt remarqua chez elles une chose remarquable. Les céphéides les plus brillantes mettaient plus de temps à accomplir leur rythme. Les plus faibles battaient plus vite. Et comme toutes les étoiles de l’une de ces petites galaxies se trouvent à peu près à la même distance de nous, la différence d’éclat devait être réelle, et non un simple effet dû au fait que certaines étoiles étaient plus proches.

Elle publia ce résultat en 1912. Il signifiait que le rythme d’une céphéide révèle son éclat véritable. Mesurez le temps que l’étoile met à pulser, et vous savez à quel point elle brille réellement. Comparez cela à l’éclat qu’elle semble avoir, et vous pouvez calculer sa distance. Une céphéide était exactement la chandelle standard qui manquait aux astronomes. Dès que quelques céphéides proches eurent été mesurées par d’autres méthodes, la règle de Leavitt put servir de mètre ruban à travers le ciel.

Henrietta Leavitt n’a pas vécu assez longtemps pour voir à quel point sa découverte allait devenir importante. Elle est morte en 1921, après de longues années de travail discret, quelques années avant que sa règle ne serve à répondre à l’une des plus grandes questions de l’astronomie. Son histoire rappelle utilement que les grands résultats naissent souvent d’un travail soigneux et sans éclat, accompli par des personnes dont on ne retient pas toujours le nom.

Une dispute sans réponse

En 1920, la question des nébuleuses spirales était devenue si importante que deux grands astronomes présentèrent leurs points de vue opposés lors d’une réunion scientifique. On se souvient souvent de cet événement sous le nom de Grand Débat. L’un des astronomes soutenait que notre galaxie était immense, bien plus grande qu’on ne le pensait, et que les nébuleuses spirales étaient de petits objets situés à l’intérieur ou à proximité. L’autre soutenait que notre galaxie était plus petite, et que les nébuleuses spirales étaient des galaxies lointaines à part entière.

Ce qui est intéressant dans ce débat, c’est que chaque camp avait en partie raison et en partie tort. Le premier astronome s’était servi des céphéides et d’autres indices pour montrer, à juste titre, que notre galaxie était très grande et que le Soleil n’en occupait pas le centre. C’était une étape importante. Le second avait raison de penser que les nébuleuses spirales étaient des galaxies séparées, mais il croyait notre propre galaxie plus petite qu’elle ne l’est vraiment. Ni l’un ni l’autre ne disposait d’assez de preuves pour trancher la question.

Le débat n’était pas un concours dont on annonçait le vainqueur à la fin. Chaque astronome présenta ses éléments, puis tous deux rédigèrent des articles plus longs pour exposer leurs raisons. D’autres astronomes les lurent, en discutèrent dans des lettres et lors de réunions, puis retournèrent à leurs télescopes. Au bout du compte, la question ne fut pas tranchée par celui qui avait parlé de la façon la plus convaincante. Elle le fut, quelques années plus tard, par une mesure. C’est ainsi que les choses devraient se passer en science, même si ce n’est pas toujours aussi rapide.

Cela arrive souvent en science. Deux personnes rigoureuses examinent des preuves incomplètes et en tirent des conclusions différentes. Aucune n’est sotte. Toutes deux font de leur mieux avec ce qu’elles ont. La dispute elle-même est utile, car elle montre clairement quelles preuves sont nécessaires. Dans ce cas, tout le monde s’accordait sur ce qui permettrait de trancher : une mesure fiable de la distance d’au moins une nébuleuse spirale. Si quelqu’un parvenait à trouver une céphéide dans l’une d’elles, la règle de Leavitt donnerait la réponse.

La difficulté était d’ordre pratique. Une céphéide située dans une nébuleuse spirale lointaine serait extrêmement faible, bien trop faible pour que la plupart des télescopes de l’époque puissent la distinguer comme une étoile isolée. Pour la voir, un astronome aurait besoin de l’un des plus grands télescopes du monde, de beaucoup de patience et de nombreuses nuits de travail dans le froid.

Une étoile dans Andromède

Cet astronome fut Edwin Hubble. En 1923 et 1924, travaillant nuit après nuit à l’un des plus grands télescopes de l’époque, sur une montagne loin des lumières des villes, il photographia la plus grande et la plus brillante des nébuleuses spirales, celle de la constellation d’Andromède. En comparant ses plaques photographiques, il trouva une étoile dont l’éclat montait et descendait selon un rythme régulier. C’était une céphéide. Bientôt, il en trouva d’autres.

Un petit détail de cette histoire nous est parvenu. Quand Hubble vit l’étoile pour la première fois sur l’une de ses plaques de verre, il la nota comme une possible étoile nouvelle, de celles qui s’embrasent une fois puis s’éteignent. Quand il la compara à des plaques plus anciennes de la même région du ciel et vit que sa lumière montait et descendait selon un rythme répété, il barra sa première annotation et écrivit une courte note indiquant qu’il s’agissait d’une étoile variable, une étoile dont l’éclat change. Cette plaque, avec sa note corrigée, est toujours conservée. Elle rappelle joliment que même les grandes découvertes commencent par une personne qui corrige sa propre première hypothèse.

Grâce à la règle de Leavitt, Hubble calcula à quelle distance se trouvaient ces étoiles. La réponse dépassait de loin la taille de notre propre galaxie, même selon les plus grandes estimations de l’époque. La nébuleuse d’Andromède n’était pas un petit nuage à l’intérieur de la Voie lactée. C’était une autre galaxie, loin en dehors de la nôtre, faite d’un nombre immense d’étoiles qui lui étaient propres. Son résultat fut annoncé vers le début de l’année 1925.

La première estimation de distance de Hubble représentait moins de la moitié de la valeur actuelle, à cause d’erreurs dans le mètre ruban qui furent corrigées plus tard. Aujourd’hui, on sait que la galaxie d’Andromède se trouve à environ 2,5 millions d’années-lumière. Mais même son premier chiffre suffisait. En peu de temps, l’Univers était passé d’une seule galaxie à d’innombrables galaxies, dispersées dans l’espace dans toutes les directions. La Voie lactée n’était plus l’Univers. C’était une île parmi beaucoup d’autres.

Il est difficile d’exagérer l’ampleur de ce changement. Le temps de la vie professionnelle d’une seule génération, l’Univers connu était devenu tellement plus grand que l’ancienne représentation paraissait minuscule. Et ce n’était qu’un début. Hubble et d’autres commencèrent bientôt à examiner de plus près la lumière de ces galaxies, et ils découvrirent quelque chose d’encore plus étrange, qui fera l’objet de la prochaine nuit de ce livre.

Avant le sommeil

Noor resta à la fenêtre jusqu’à ce que la station revienne dans la lumière du jour. Puis elle écrivit à Sami. « En 1900, beaucoup d’astronomes pensaient que notre galaxie était l’Univers entier. Puis une femme qui mesurait des étoiles sur des plaques de verre a trouvé un moyen de mesurer les distances, et un homme travaillant à un grand télescope s’en est servi pour montrer que la nébuleuse d’Andromède est une galaxie séparée. D’un coup, il y avait d’innombrables galaxies. Devoir du jour : si tu as une nuit sombre, cherche une pâle bande qui traverse le ciel. C’est notre galaxie, vue de l’intérieur. »

Sami répondit le lendemain matin, avant d’aller dormir après son service. Il écrivit qu’il avait vu une fois la Voie lactée, des années plus tôt, lors d’une tournée de livraison à la campagne, quand il s’était arrêté au bord d’une route sans éclairage. Il avait cru que c’était un mince nuage. « Maintenant, je sais que c’étaient quelques centaines de milliards d’étoiles, écrivit-il. Je regarderai encore. »

Noor lut son message au petit-déjeuner, en flottant à côté d’Ade, qui mangeait des fruits secs dans un sachet. Elle le lui montra. Ade dit qu’il aimait l’idée d’un chauffeur de camion au bord d’une route sombre, regardant quelques centaines de milliards d’étoiles et les prenant pour un nuage. « La plupart des gens qui ont jamais vécu ont pensé la même chose, dit-il. Ton frère est en bonne compagnie. »

Si vous vivez dans une ville, vous voyez peut-être rarement la Voie lactée, parce que les réverbères et les fenêtres éclairées illuminent le ciel. Il n’y a pas là de quoi être triste. C’est simplement une raison, si jamais vous vous trouvez loin des lumières par une nuit claire, de lever les yeux un moment. La pâle bande sera là, comme elle l’a été chaque nuit de l’histoire humaine, attendant quiconque aura un instant pour la remarquer.

Idées reçues

Beaucoup de gens pensent que la Voie lactée et l’Univers sont la même chose, ou que les deux mots veulent dire à peu près la même chose. C’était, nous l’avons vu, la conviction de nombreux astronomes il y a un siècle à peine. Mais nous savons aujourd’hui que la Voie lactée est une galaxie parmi un nombre immense de galaxies, bien trop nombreuses pour être comptées une à une. La Voie lactée est notre galaxie, celle à l’intérieur de laquelle nous vivons. L’Univers, c’est tout : toutes les galaxies, tout l’espace qui les sépare et tout ce qui existe par ailleurs.

Certains croient qu’on ne peut voir d’autres galaxies qu’avec de grands télescopes. Il est vrai que la plupart d’entre elles sont bien trop faibles pour l’œil. Mais quelques-unes sont visibles sans aucun instrument. Par une nuit claire et sombre, loin des lumières, la galaxie d’Andromède apparaît comme une petite tache pâle, un petit ovale de lumière douce. Elle ne ressemble pas aux photos de spirales des livres, car l’œil ne perçoit que son centre brillant. Pourtant, si vous la trouvez, vous voyez de vos propres yeux une lumière qui a quitté une autre galaxie il y a environ 2,5 millions d’années. Depuis la moitié sud de la Terre, les deux petites galaxies étudiées par Henrietta Leavitt sont elles aussi visibles, comme deux nuages pâles dans un ciel sombre.

Une troisième idée reçue concerne le mot nébuleuse. Aujourd’hui, les astronomes l’emploient pour les nuages de gaz et de poussière dans l’espace, comme les lieux lumineux où naissent de nouvelles étoiles. Autrefois, ce même mot désignait n’importe quelle tache faible et floue vue au télescope, y compris les nébuleuses spirales qui se sont révélées être des galaxies. C’est pourquoi les livres anciens parlent de la nébuleuse d’Andromède, tandis que les livres modernes parlent de la galaxie d’Andromède. Il s’agit du même objet. Seule notre compréhension a changé. Les changements de ce genre, où le nom reste mais où le savoir grandit, font partie de l’histoire de la science, et lors de la prochaine nuit, nous verrons comment un examen attentif des couleurs des galaxies a de nouveau transformé notre représentation de l’Univers.