Loi de Hubble
En astronomie, la Loi de Hubble énonce que les galaxies s'éloignent les unes des autres et que leurs vitesses d'éloignement sont proportionnelles à leurs distances. Autrement dit, plus une galaxie est loin de nous, plus elle semble nous fuir (voir toutefois galaxie d'Andromède, qui fonce vers nous).
Elle fut énoncée par Edwin Hubble en 1929 et fut le premier indice de l'expansion de l'univers et, en extrapolant dans le passé, est à l'origine de la théorie du Big Bang dont elle est un des éléments de confirmation.
Hubble découvrit cette loi en observant le décalage vers le rouge du spectre de galaxies proches, un effet similaire à l'effet Doppler-Fizeau.
En comparant ce décalage à la distance les distances de ces galaxies là où celles-ci étaient connues, il trouva une relation linéaire entre les deux.
Il interpréta ce résultat en supposant que le décalage observé était causé par la vitesse d'éloignement de ces galaxies. Le rapport entre la distance et la vitesse est appelé constante de Hubble et est estimé actuellement entre 50 et 90 km/s/Mpc. En extrapolant ce résultat, on pouvait donc probablement avoir une estimation de la distance de celles des galaxies dont la distance n'était pas mesurable par parallaxe.
La valeur trouvée initialement par Hubble était de 500 km/s/Mpc était trop élevée car les suppositions faites sur les objets observés conduisaient à une sous-estimation de leurs distances. Néanmoins, la relation fut confirmée par après.
On note donc la loi ainsi :
- v = H0.d
Avec v la vitesse de fuite apparente en km/s, d la distance en Mpc (megaparsec) et H0 la constante d'Hubble en km/s/Mpc. L'inverse de cette constante est le temps d'Hubble. On peut dériver mathématiquement cette loi en assumant le principe cosmologique, c'est-à-dire que l'univers est, à grande échelle, isotrope et homogène.
La valeur de la constante de Hubble était le sujet d'une longue controverse entre Gérard de Vaucouleurs, qui affirmait qu'elle était de 100, et Allan Sandage qui affirmait qu'elle était de 50. Le projet Hubble key a permis d'améliorer considérablement la détermination de cette valeur et l'estimation finale, publiée en mai 2001, est de 72±8 km/s/Mpc.
La constante de Hubble est une constante dans le sens où elle est valable pour toutes vitesses et distances, mais ne représente que la valeur actuelle de H, habituellement appelée paramètre de Hubble, qui décroit avec le temps. Si l'on suppose que les galaxies gardent leur vitesse relativement à nous, alors nous avons d = v.t et il s'ensuit que H = 1/tH où tH est le temps de Hubble et correspondrait à la durée depuis le Big Bang. Ceci permet une estimation de l'âge du l'univers et c'est pourquoi la loi de Hubble est si importante.
En se fondant sur des observations récentes, on estime actuellement que l'expansion de l'univers s'accélère, ce qui signifie que H > 1/t et que l'estimation 1/H0 (± 11 à 20 milliard d'années) est trop petite pour l'âge de l'univers.
Plusieurs autres constatations peuvent être faites :
- La distance d des galaxies proches peut être estimée en comparant leur luminosité apparente à leur luminosité absolue.
- Pour les galaxies lointaines, on est obligé d'utiliser pour d leur distance actuelle et non leur distance quand leur lumière à été émise. Cette distance est extrêmement difficile à estimer.
- La vitesse v est définie comme le taux de variation de d par rapport au temps. Pour des galaxie relativement proches, cette vitesse peut être estimée à partir de leur décalage vers le rouge z en utilisant la formule v ≈ zc où c est la vitesse de la lumière.
- Les systèmes qui sont liés par la gravitation, tel que les amas de galaxies, ne sont pas sujet à la loi de Hubble et ne s'étendent donc pas.
Autres hypothèses proposées
D'autres hypothèses ont été proposées pour tenter d'expliquer le décalage vers le rouge, parmi lesquelles une éventuelle « fatigue de la lumière » évoquée par le physicien Jean-Pierre Vigier (le décalage vers le rouge correspond en effet, à intensité de rayonnement égale, à une perte d'énergie). Certains astronomes comme Tom van Flandem s'y rallièrent du fait que cette hypothèse expliquait avec élégance le paradoxe d'Olbers, mais le mouvement resta marginal.
Discution sur la constante de Hubble avec un astronome
Un exemple plus court peut en être tiré.
Bonjour,
J'essaie de comprendre la constante de hubble depuis déjà un certain temps.
J'ai vu qu'elle aurait une valeur entre 50 et 100 km/sec/Mpc. http://www-obs.univ-lyon1.fr/~prugniel/french/galaxies_presentation_edhubble.html
Si je comprends bien, pour deux points distant de 1 Mpc, à chaque sec la distance croit de 50 à 100 km de plus.
R: C'est exact.
Est-ce possible dans ce cas que pour de très grande distance de l'ordre de dizaine de milliard d'années-lumière que le taux d'expansions approche de la vitesse de la lumière.
R: Tout à fait. Il peut même dépasser la vitesse de la lumière.
Il y aurai dans ce cas une limite de la distance à laquelle on peut observer les galaxies. Mais avant les galaxies seraient visibles que dans de très large longueur d'onde.
R: Vous avez compris.
Si c'est le cas à quelle distance est cette frontière en tenant compte de la valeur théorique de la constante de hubble actuelle ?
Quel est la plus récente estimation de la constante de hubble ?
R: La valeur du paramètre de Hubble varie entre 64 et 80 (km/s/Mpc). La « meilleure valeur » serait de l'ordre de 71 +/- 4.(Octobre 2004)
Quel est la plus grande longueur d'onde observable par les télescopes?
R: C'est dans le proche infrarouge que les télescopes optiques rencontrent leur limite. Mais comme le décalage vers le rouge entraîne la lumière émise par les galaxies les plus lointaines à des longueurs d'ondes toujours plus longues, cette portion du spectre est extrêmement intéressante. Pour les nouveaux télescopes, on mise donc sur une sensibilité accrue dans l'infrarouge. Ce sera notamment le cas pour le Télescope spatial James Webb, qui remplacera dans 6 ou 7 ans le télescope spatial actuel. Les observations en infrarouge sont difficiles à mener à partir du sol, car la vapeur d'eau présente dans l'atmosphère coupe une partie de ce rayonnement.
Les micro-ondes sont encore plus longues que l'infrarouge. L'équipement utilisé pour étudier ce type de rayonnement s'apparente ce pendant plus aux radiotélescopes qu'aux télesscopes optiques classiques. C'est dans le domaine micro-ondes que le rayonnement fossile (l'écho du big bang) est le plus fort.
Comment déterminer l'age de l'univers en l'observant si des objets
peuvent se trouver au-delà de cette limite d'observation?
R: Il faut comprendre que la taille de l'Univers que nous pouvons observer (donc limité par le taux d'expansion et par la vitesse finie de la lumière, et distortioné par le fait que, plus on regarde loin, plus on voit l'univers tel qu'il était dans un passé de plus en plus lointain) n'est pas la même que la taille de l'univers. Comme en mer, notre vue s'étend jusqu'à cet horizon, mais pas au-delà. L'univers est-il fini ou infini? Il n'y a pas encore de réponse définitive à cette question.
Il y a cependant une relation directe entre le paramètre de Hubble et l'âge de l'univers: t = 1 / H. Avec H = 71, on obtient un âge de 13,7 millards d'années.
J'ai essayé de calculer le taux d'expansion pour une distance de 13 milliards d'années-lumière avec une valeur de 75 pour hubble. Est-ce que je me trompe dans la façon d'appliquer la constante.
((13000000000 years * c / (1000000 * parsec)) * ( 75 km / s) ) =
298 929.716 km / s
R: Je crains que vos unités ne soient pas correctement balancées. J'obtiens v = 297 375 km/s avec H = 75 (km/s/Mpc) et D = 13 (Ga.l.) dans v = H x D = 75 x 13 x 305
La constante 305 est le résultat de 1 milliard d'a.l. / 1 Mpc, soit (10^9 x 9,4 x 10^12 km) / (10^6 x 3,08 x 10^13 km)
Si c'est juste, il est impossible d'observer un astre approchant de ces distances.
R: En effet, la vitesse de récession des objets lointains se manifeste par un décalage vers le rouge toujours plus important, qui tend vers l'infini. Aux limites de l'univers observable, les objets sont très faibles (à cause de la distance) et leur lumière est décalée vers l'infrarouge lointain et les micro-ondes.