Chapitre 4 : Les galaxies s’éloignent les unes des autres

Nuit 31 : Attraper un vaisseau cargo

Le trente et unième jour de son séjour, Noor attrapa un vaisseau spatial avec un bras robotique. Le cargo avait été lancé deux jours plus tôt et avait mis tout ce temps à réduire lentement la distance qui le séparait de la station, en allumant encore et encore ses petits moteurs sous l’œil attentif des équipes au sol. Dans l’après-midi, il était assez près pour être vu par les fenêtres : un cylindre blanc aux larges panneaux solaires, qui se déplaçait presque exactement à la même vitesse que la station, si bien qu’il semblait suspendu immobile dans le ciel noir, au-dessus de la Terre lumineuse.

Noor s’installa au poste de commande du bras robotique, un petit bureau équipé d’écrans et de deux manettes, une pour chaque main. Tomás était assis à côté d’elle et lisait la liste de contrôle à voix haute. Le cargo s’arrêta à une dizaine de mètres et attendit. Au sol, les équipes confirmèrent que tout était prêt. Alors Noor fit avancer le long bras, très lentement. Une main dirigeait sa direction, l’autre la rotation de son extrémité. À l’écran, elle voyait l’image d’une caméra placée au bout du bras, où une petite pièce de fixation du cargo grossissait de plus en plus.

Ce travail demandait des mains calmes et une respiration régulière. La station comme le cargo filaient à environ 28 000 kilomètres à l’heure autour de la Terre, mais l’un par rapport à l’autre, ils étaient presque immobiles, comme deux voitures qui roulent côte à côte sur une autoroute. Quand la pièce de fixation fut au centre de l’écran, Noor appuya sur la détente. L’extrémité du bras se referma sur la fixation d’une prise douce et ferme. « Capture », dit-elle. Au sol, quelqu’un se mit à applaudir.

Le reste de la journée fut consacré à relier le cargo à la station et à vérifier que l’écoutille pouvait être ouverte sans danger. Quand elle s’ouvrit enfin, la première chose que Noor remarqua fut l’odeur. Cela sentait le plastique neuf, l’emballage et, légèrement, la pomme. Quelque part parmi les sacs de matériel, les pièces de rechange, les vêtements et la nourriture, les équipes au sol avaient glissé une petite boîte de fruits frais. Ce soir-là, l’équipage partagea des pommes près de la grande fenêtre, en les tenant avec précaution pour qu’aucune goutte de jus ne s’échappe.

Plus tôt, en regardant le cargo par la fenêtre, Noor avait pensé combien il est difficile de dire si un objet lointain se rapproche ou s’éloigne. De près, la caméra du bras robotique rendait la chose facile. Mais comment savoir comment se déplace une galaxie, quand elle se trouve à des millions d’années-lumière et ressemble à une tache immobile sur une photo ? C’était l’histoire de ce soir, et elle commençait par un arc-en-ciel.

La lumière a des empreintes digitales

Quand la lumière du Soleil traverse un prisme de verre, ou des gouttes de pluie, elle s’étale en une bande de couleurs : rouge, orange, jaune, vert, bleu et violet. Cette bande s’appelle un spectre. Chaque couleur y correspond à une lumière d’une longueur d’onde légèrement différente, ce qui veut dire que ses ondes sont espacées d’une distance légèrement différente. La lumière rouge a des ondes plus longues. La lumière bleue et violette a des ondes plus courtes. Le spectre, c’est simplement la lumière triée selon la longueur de ses ondes, comme une pile de lettres triées par taille.

Au dix-neuvième siècle, des scientifiques découvrirent que, s’ils étalaient soigneusement la lumière avec un bon instrument, le spectre n’était pas uniforme. Il était traversé de fines raies sombres, comme les intervalles d’un code-barres. Ils comprirent vite ce que signifiaient ces raies. Chaque sorte d’atome, comme l’hydrogène, le sodium ou le fer, absorbe et émet de la lumière uniquement à certaines longueurs d’onde bien précises. Quand la lumière traverse un gaz, les atomes de ce gaz retirent leurs propres longueurs d’onde et laissent des raies sombres exactement à ces endroits.

Vous avez peut-être vu un exemple simple de ces empreintes sans le savoir. Certains anciens réverbères brillent d’une lumière d’un jaune orangé profond. Ils sont remplis d’un gaz contenant du sodium, et les atomes de sodium, quand on les fait briller, émettent de la lumière surtout à une longueur d’onde jaune bien particulière. Si vous regardiez la lumière d’un tel réverbère à travers un bon prisme, vous ne verriez presque pas d’arc-en-ciel, seulement une raie jaune brillante. Chaque sorte d’atome possède ainsi son propre ensemble de raies, aussi personnel qu’une signature. Un gaz chaud les montre sous forme de raies brillantes, et un gaz plus froid placé devant une source lumineuse les montre sous forme de raies sombres aux mêmes endroits.

Ce fut une découverte merveilleuse, car elle signifiait que la lumière porte des empreintes digitales. En observant la disposition des raies dans la lumière d’une étoile, les astronomes pouvaient dire quelles sortes d’atomes s’y trouvaient, sans jamais s’y rendre. La signature de l’hydrogène est toujours la même, que la lumière vienne d’une lampe de laboratoire ou d’une étoile située à l’autre bout de la galaxie. Les astronomes apprirent à reconnaître ces signatures aussi facilement que vous reconnaissez l’écriture d’un ami.

Mais les astronomes remarquèrent bientôt autre chose. Dans la lumière de certaines étoiles et de certaines nébuleuses, les raies familières étaient toutes présentes, mais pas tout à fait à leur place. L’ensemble était légèrement décalé, soit vers l’extrémité rouge du spectre, soit vers l’extrémité bleue. L’empreinte était la même, mais elle avait glissé le long de la bande de couleurs. Ce petit décalage allait se révéler porteur d’un message immense.

Une sirène qui passe

Vous avez entendu bien des fois quelque chose qui ressemble à ce décalage, avec du son au lieu de la lumière. Pensez à une ambulance qui passe près de vous dans la rue, sirène allumée. Pendant qu’elle approche, la sirène paraît plus aiguë. Quand elle vous dépasse et s’éloigne, le son devient soudain plus grave. La sirène elle-même n’a pas changé. Le conducteur n’a touché à aucun bouton. Ce qui change, c’est l’espacement des ondes sonores quand elles atteignent vos oreilles.

Quand l’ambulance se rapproche, chaque nouvelle onde sonore part d’un peu plus près de vous que la précédente, si bien que les ondes arrivent resserrées. Des ondes resserrées sonnent plus aigu. Quand l’ambulance s’éloigne, chaque nouvelle onde part d’un peu plus loin, si bien que les ondes arrivent étirées. Des ondes étirées sonnent plus grave. Plus l’ambulance va vite, plus le changement est grand. Une oreille exercée, ou un bon instrument, pourrait même dire à quelle vitesse elle roulait, rien qu’à partir du changement de hauteur du son.

La lumière se comporte de façon semblable. Quand une source de lumière se rapproche de nous, ses ondes arrivent un peu resserrées, si bien que sa lumière est légèrement décalée vers l’extrémité bleue du spectre. Quand une source s’éloigne de nous, ses ondes arrivent étirées, si bien que sa lumière est décalée vers l’extrémité rouge. Le décalage vers le rouge s’appelle tout simplement le décalage vers le rouge. Plus il est grand, plus la source s’éloigne vite. Les raies sombres du spectre permettent de le mesurer avec précision, car les astronomes savent exactement où chaque raie devrait se trouver lorsque la source est immobile.

Pour les galaxies, comme nous le verrons bientôt, l’étirement de la lumière vient surtout de l’étirement de l’espace lui-même, et pas seulement de galaxies qui fonceraient à travers l’espace comme des ambulances. Mais la sirène est une bonne façon de commencer. L’essentiel est simple : en regardant de combien l’empreinte a glissé, les astronomes peuvent dire si une galaxie lointaine se rapproche de nous ou s’en éloigne, et à peu près à quelle vitesse.

Ces décalages sont généralement minuscules. Pour les étoiles de notre propre galaxie, qui se déplacent à des vitesses de quelques dizaines de kilomètres par seconde par rapport au Soleil, les raies ne bougent que d’une toute petite distance le long du spectre, et les mesurer demande de bons instruments et beaucoup de soin. Les astronomes utilisent la même méthode pour trouver des planètes autour d’autres étoiles, en mesurant le petit mouvement de va-et-vient que l’attraction d’une planète imprime à son étoile. Pour les galaxies lointaines, comme Slipher allait le découvrir, les décalages peuvent être bien plus grands.

Ceux qui l’ont remarqué

La première personne à mesurer les mouvements des nébuleuses spirales fut Vesto Slipher, qui commença ce travail en 1912 dans un observatoire doté d’un bon télescope, avec une très grande patience. La lumière d’une nébuleuse spirale est faible, et l’étaler en spectre l’affaiblit encore. Slipher devait parfois laisser une même plaque photographique exposée pendant plusieurs nuits, accumulant peu à peu la faible lumière, pour obtenir un seul spectre exploitable.

Sa première mesure, celle de la nébuleuse d’Andromède, montra un décalage vers le bleu : Andromède se rapproche de nous. Mais à mesure qu’il mesurait de plus en plus de nébuleuses spirales au cours des années 1910, il constata que la plupart présentaient un décalage vers le rouge, et que certaines s’éloignaient à des centaines de kilomètres par seconde. C’était très étrange. Si les nébuleuses spirales étaient de petits nuages à l’intérieur de notre galaxie, pourquoi la plupart d’entre elles s’enfuyaient-elles ? À l’époque, personne ne savait encore qu’elles étaient des galaxies séparées, et personne n’avait de bonne explication.

Pendant ce temps, la théorie nécessaire pour les expliquer attendait déjà. En 1915, Albert Einstein avait publié sa théorie de la relativité générale, une nouvelle description de la gravitation dans laquelle l’espace et le temps peuvent se courber et s’étirer. En 1917, il l’appliqua à l’Univers dans son ensemble. Comme presque tout le monde à l’époque, il croyait que l’Univers était immobile, qu’il ne grandissait ni ne rétrécissait. Ses équations ne donnaient pas naturellement un univers immobile, alors il leur ajouta un terme supplémentaire pour le maintenir immobile.

D’autres regardèrent les mêmes équations et y virent autre chose. En 1922, un mathématicien et physicien nommé Alexandre Friedmann montra que les équations permettaient un univers qui grandit ou rétrécit au fil du temps. En 1927, un prêtre qui enseignait la physique, Georges Lemaître, trouva de son côté le même genre de solution. Il alla plus loin : il la relia aux décalages vers le rouge mesurés pour les galaxies et suggéra que l’Univers est en expansion. Son article parut dans une revue que peu d’astronomes lisaient, et il passa d’abord presque inaperçu.

Puis, en 1929, Edwin Hubble, qui avait déjà montré que les nébuleuses spirales étaient des galaxies, compara leurs distances à leurs décalages vers le rouge. Il trouva une relation claire. Plus une galaxie est lointaine, plus elle s’éloigne vite de nous. Une galaxie deux fois plus lointaine s’éloigne environ deux fois plus vite. Aujourd’hui, les astronomes appellent souvent cette règle la loi de Hubble-Lemaître, pour rendre hommage aux deux hommes. Une fois l’expansion de l’Univers acceptée, Einstein abandonna le terme supplémentaire qu’il avait ajouté pour garder l’Univers immobile.

Les chiffres de Hubble n’étaient pas parfaits. Comme les distances qu’il utilisait étaient trop petites, sa valeur pour la vitesse de l’expansion était plusieurs fois trop grande, et il fallut des décennies de travail supplémentaire, menées par de nombreux astronomes, pour la corriger. Mais la relation elle-même, plus de distance allant avec plus de vitesse, a été confirmée maintes et maintes fois avec de meilleurs instruments. C’est courant en science. La première mesure montre que quelque chose est là, et les mesures suivantes, souvent faites par d’autres, montrent exactement dans quelle mesure. Lors d’une nuit prochaine, nous verrons que le terme supplémentaire d’Einstein est revenu bien des années plus tard, dans un nouveau rôle surprenant.

Le pain qui lève dans le four

Que signifie le fait que les galaxies les plus lointaines s’éloignent plus vite ? L’image la plus simple est une image que les boulangers connaissent bien. Imaginez une boule de pâte à pain dans laquelle on a mélangé des raisins secs. Quand la pâte lève dans un endroit chaud, chacune de ses parties gonfle. Chaque raisin s’éloigne de tous les autres. Aucun raisin ne pousse les autres. Ils sont simplement écartés par la pâte qui les sépare et qui grandit.

Choisissez maintenant un raisin et imaginez que vous vous tenez dessus. Pendant que la pâte lève, les raisins proches de vous s’éloignent lentement, parce qu’il n’y a qu’un peu de pâte entre vous et eux. Les raisins éloignés de vous s’écartent beaucoup plus vite, parce qu’il y a beaucoup de pâte entre vous et eux, et qu’elle gonfle tout entière en même temps. C’est exactement la relation qu’a trouvée Hubble. Et peu importe le raisin choisi. Depuis chaque raisin, tous les autres semblent s’éloigner, et les plus lointains plus vite.

Dans l’Univers, la pâte, c’est l’espace lui-même. Les galaxies, ou plutôt les groupes de galaxies, sont les raisins. Elles ne s’envolent pas à travers l’espace à partir d’un point central. C’est plutôt l’espace qui les sépare qui s’étire, si bien que les distances entre elles augmentent. Et comme la lumière voyage à travers un espace qui s’étire, ses ondes s’étirent aussi. C’est la raison principale pour laquelle la lumière des galaxies lointaines nous arrive avec un décalage vers le rouge. Plus la lumière a voyagé longtemps à travers l’espace qui s’étire, plus ses ondes ont été tirées vers le rouge.

Toute image a ses limites, et celle du pain aussi. Une boule de pâte a un bord et un centre, et elle se trouve dans un four plus grand qu’elle. Pour autant que nous le sachions, l’Univers n’a ni bord ni centre, et il ne s’étend pas dans quelque chose qui serait à l’extérieur. L’image des raisins sert donc surtout à une seule idée : tout s’éloigne de tout, et les choses les plus lointaines s’éloignent plus vite. Pour cette idée-là, elle fonctionne à merveille.

Le pain peut encore montrer autre chose. Si vous pouviez observer la pâte qui lève depuis un raisin, vous pourriez mesurer à quelle vitesse vos voisins s’éloignent et à quelle distance ils se trouvent. À partir de ces deux nombres, vous pourriez calculer depuis combien de temps tous les raisins étaient serrés en une petite boule compacte, avant que la pâte ne commence à lever. Les astronomes ont fait exactement cela avec les galaxies. La vitesse de l’expansion et les distances des galaxies donnent ensemble un âge approximatif de l’Univers. La valeur moderne, soigneusement établie à l’aide de bien d’autres indices encore, est d’environ 13,8 milliards d’années.

Cette découverte transforma complètement la question du commencement. Si les galaxies s’éloignent aujourd’hui les unes des autres, alors hier elles étaient un peu plus proches, l’an dernier plus proches encore, et il y a longtemps beaucoup plus proches. Un univers qui grandit est un univers qui a une histoire. Pour la première fois, la question « Comment tout cela a-t-il commencé ? » n’appartenait plus seulement aux récits et à la philosophie. Elle était devenue une question que l’on pouvait étudier avec des télescopes et des mesures.

Un message pour Sami

Après les pommes, Noor écrivit à son frère. « Aujourd’hui, j’ai attrapé un cargo avec un bras robotique. L’histoire de ce soir : la lumière des galaxies lointaines est étirée vers le rouge, comme une sirène dont le son devient plus grave quand l’ambulance s’éloigne. Plus la galaxie est loin, plus la lumière est étirée. C’est l’espace lui-même qui s’étire, comme un pain aux raisins qui lève. Au fait, il y avait des fruits frais dans le cargo. J’ai pensé à toi. »

La réponse de Sami arriva après son service. « J’entends des sirènes toutes les nuits, écrivit-il. Je ne les entendrai plus jamais de la même façon. » Il ajouta qu’une des personnes chez qui il livrait, une vieille boulangère qui commençait à travailler à quatre heures du matin, avait ri quand il lui avait parlé du pain aux raisins. Elle avait dit qu’elle fabriquait des maquettes de l’Univers depuis quarante ans sans le savoir.

Noor rit en lisant ce message, et le lut à voix haute à Tomás et à Ade au petit-déjeuner. Tomás dit que les meilleures explications semblaient toujours venir de gens qui travaillent de leurs mains. Ade dit qu’il voulait l’avis de la boulangère sur l’histoire de la nuit suivante, qui consistait à passer à l’envers tout le film de l’Univers.

Peut-être ce soir, si vous entendez passer une voiture ou un train, pourrez-vous écouter le changement de son au moment où il cesse d’approcher pour s’éloigner. C’est une petite chose de tous les jours. Mais cette même idée, appliquée avec un grand soin à la lumière des galaxies lointaines, a montré que nous vivons dans un univers qui grandit, et qu’il a dû être autrefois très différent.

Idées reçues

Beaucoup de gens pensent que si toutes les galaxies s’éloignent de nous, c’est que nous sommes au centre de l’Univers. C’est certainement l’impression que l’on a d’ici. Mais souvenez-vous des raisins. Depuis chaque raisin de la pâte qui lève, tous les autres raisins semblent s’éloigner. Une astronome vivant dans une galaxie située à des milliards d’années-lumière de nous verrait exactement la même chose : toutes les galaxies lointaines s’éloignant d’elle, les plus lointaines plus vite. Il n’y a pas de centre particulier. Chaque endroit se voit comme le milieu, et aucun ne l’est.

Une autre croyance répandue veut que les galaxies s’envolent à travers l’espace à partir d’un point, comme des morceaux projetés par une explosion. Cette image est très naturelle, mais ce n’est pas la meilleure description. Les galaxies se déplacent bien un peu à travers l’espace, attirées par leurs voisines. Mais la raison principale pour laquelle les distances augmentent, c’est que l’espace lui-même s’étire entre elles. C’est aussi pourquoi il n’existe aucun point de l’espace où l’expansion aurait commencé. L’étirement se produit partout à la fois, et il en est ainsi depuis le commencement.

Certains se demandent si tout est en expansion, y compris la Terre, la station et leur propre corps. Si l’espace s’étire, est-ce que nous nous étirons aussi ? La réponse est non. L’étirement ne compte qu’à travers les immenses distances vides qui séparent les groupes de galaxies. À l’intérieur d’un atome, d’une personne, d’une planète, d’un système solaire ou d’une galaxie, les forces qui maintiennent les choses ensemble sont bien plus puissantes que le doux étirement de l’espace, si bien que ces choses gardent leur taille. Votre corps, votre table de cuisine et le bras robotique de Noor ne grandissent pas. Et toutes les galaxies ne s’éloignent pas de nous. Notre proche voisine Andromède se rapproche de nous, attirée par la gravité, exactement comme Slipher l’avait constaté lors de sa toute première mesure. L’expansion est une caractéristique de l’Univers à la plus grande échelle, et non une règle valable pour chacun des objets qu’il contient. Lors de la prochaine nuit, nous suivrons cette caractéristique en remontant le temps, et nous verrons où elle mène.