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Succès scientifiques et images époustouflantes : l’héritage du télescope spatial Hubble

Publié le 23 novembre 2021 Mis à jour le 23 novembre 2021

La popularité du télescope spatial Hubble (HST) ne tient pas tant à ses succès scientifiques qu’aux prodigieuses images de l’Univers qu’il nous a révélées, et qui ont fait rêver plus d’une génération. Analyse d'Alain Jorissen et Thibault Merle dans The Conversation.

Thibault Merle, Université Libre de Bruxelles (ULB) and Alain Jorissen, Université Libre de Bruxelles (ULB)

La popularité du télescope spatial Hubble (HST) ne tient pas tant à ses succès scientifiques qu’aux prodigieuses images de l’Univers qu’il nous a révélées, et qui ont fait rêver plus d’une génération. On se rappellera de la Grande Nébuleuse d’Orion (objets de Messier M42 et M43), des fameux Piliers de la Création (image ci-dessus) de la Nébuleuse de l’Aigle (M16), de la nébuleuse du Crabe (M1), rémanent de la supernova de 1054, ou plus récemment, de l’étoile géante AG Car, pour n’en citer que quelques-uns. Sans oublier les amas de galaxies avec effet de lentilles gravitationnelles (comme Abell 1703 ou Abell 2218), ou encore le champ ultra-profond révélant les plus anciennes galaxies connues.

Ces remarquables images ne doivent pas faire oublier les grandes avancées scientifiques obtenues grâce aux instruments du HST parmi lesquelles celle de déterminer précisément la constante de Hubble, d’où le télescope spatial tire son nom. Ce paramètre, qui décrit l’expansion de l’Univers, a pu être mesuré précisément par le HST grâce aux observations dans des galaxies lointaines des étoiles remarquables que sont les Céphéides et les supernovae. Mais le HST a conduit à bien d’autres avancées scientifiques majeures.

Pourquoi observer depuis l’espace ?

L’atmosphère terrestre ne permet pas d’obtenir des images nettes des astres à cause de la turbulence qui l’agite, une conséquence des vents d’altitude et des inhomogénéités thermiques. Pour remédier à cela, deux solutions s’offrent aux astronomes : soit placer le télescope au-dessus de l’atmosphère terrestre, soit compenser la turbulence atmosphérique par la technique d’optique adaptative (c’est le cas pour plusieurs instruments installés sur le Very Large Telescope de l’Observatoire européen austral installé dans le désert d’Atacama au Chili). C’est la première solution qui sera par contre utilisée pour le HST.

La construction du télescope spatial Hubble

Son histoire commence au début des années 1970. Après quelques péripéties politiques, le financement en est finalement garanti par le Congrès américain en 1977, moyennant la participation de l’Agence Spatiale Européenne (ESA) qui doit fournir l’un des cinq instruments (Faint Object Camera), les panneaux solaires et une participation au support opérationnel du télescope. L’ESA reçoit en échange 15 % du temps d’observation.

Divers problèmes techniques ainsi que l’accident de la navette spatiale Challenger en 1986 repousseront le lancement du télescope jusqu’au 24 avril 1990, date à laquelle cet instrument de 2,4 mètres de diamètre est lancé par la navette spatiale Discovery sur une orbite basse à 540 km d’altitude autour de la Terre, bouclant l’orbite terrestre en 1h35. Le domaine de longueurs d’onde auquel les détecteurs du HST sont sensibles s’étend de l’UV au proche IR (de 115 à 1700 nm).

Les résultats scientifiques

Ses observations concernent aussi bien notre voisinage proche avec l’étude des corps du système solaire que les tréfonds de l’Univers observable avec l’étude des premières galaxies. Les résultats scientifiques sont nombreux et nous nous focaliserons sur deux résultats principaux : la détermination de la taille et de l’âge de l’Univers à travers la mesure de la constante de Hubble, et l’accélération de l’expansion de l’Univers, découverte inattendue qui a conduit trois chercheurs américains à obtenir le prix Nobel de physique en 2011.

Ces deux résultats sont basés sur les observations d’étoiles singulières que sont les Céphéides et les supernovae, utilisées comme étalons de luminosité pour mesurer les distances à différentes échelles cosmiques.

Figure 2. Les variations d’éclat de V1, une céphéide de la galaxie M 31. NASA/ESA/Hubble Heritage Team (STScI/AURA)/R. Gendler, CC BY

Les Céphéides sont des étoiles pulsantes variables dont les variations de luminosité sont extrêmement régulières et donc prédictibles. L’une des plus connues dans notre Voie Lactée est RS Pup. La période de ces pulsations dépend de la masse et de la luminosité intrinsèque de ces étoiles. A une période donnée correspond donc une et une seule luminosité. En comparant l’éclat apparent mesuré d’une Céphéide avec sa luminosité (déduite de la période des pulsations), on peut donc en déduire sa distance. Cette propriété remarquable permet de les utiliser comme étalons de luminosité (aussi appelés chandelles standards) pour mesurer la distance des galaxies qui les hébergent (figure 2).

C’est grâce aux Céphéides que Edwin Hubble démontra, en 1923, que la galaxie d’Andromède se situait en dehors de notre Galaxie, la Voie Lactée, repoussant les limites alors communément acceptées de la taille de l’Univers. Cependant les Céphéides, trop peu lumineuses, ne permettent pas de déterminer des distances fiables au-delà d’une centaine de millions d’années-lumière. On utilise alors comme étalon de luminosité des supernovae d’un certain type (dit type Ia), intrinsèquement beaucoup plus brillantes (quoique plus rares) et donc visibles dans les galaxies les plus reculées (figure 3), à des milliards d’années-lumière.

Les observations du HST (combinées à d’autres observations venant, par exemple, de la mission spatiale Gaia de l’ESA) ont permis de réduire les incertitudes sur la constante de Hubble à 3 % pour les estimations les plus récentes (H₀ = 72,1 ± 2,0 km s-1 Mpc-1), une remarquable avancée en comparaison des valeurs et incertitudes pré-HST. La constante de Hubble est liée à l’âge de l’Univers, mais la relation entre son âge et H₀ dépend cependant du modèle d’Univers adopté, en particulier de sa densité. Dans le cas où son taux d’expansion est constant, son âge est exactement l’inverse de la constante de Hubble, soit 13,6 milliards d’années.

Figure 3. La supernova SN2018gv (à gauche) dans la galaxie NGC 2525 à 70 millions d’années-lumière. NASA, ESA/Hubble, HST.

Le HST a justement bouleversé le modèle cosmologique standard qui prévoyait un ralentissement de l’expansion de l’Univers provoqué par la gravitation, à cause du caractère toujours attractif de cette force. Il a été en effet remarqué que les supernovae les plus éloignées apparaissent moins brillantes que prévu, signifiant par là que l’expansion de l’Univers accélère au lieu de ralentir, plaçant ces supernovae à des distances plus importantes. Cette hypothèse nécessite alors l’introduction d’une mystérieuse énergie noire qui contrebalance les effets de la gravitation à grande échelle en jouant le rôle d’une force répulsive.

Cette hypothèse, fragile au début compte tenu de la faible statistique de supernovae distantes, n’a cessé d’être confirmée depuis, notamment grâce aux observations du HST. Cette découverte a valu le prix Nobel de Physique 2011 à Paul Perlmutter, Brian Schmidt et Adam Riess, qui ont mis en évidence cette accélération de l’expansion de l’Univers.

D’autres découvertes importantes

Parmi les autres recherches majeures, on notera l’étude des propriétés morphologiques des galaxies de l’Univers jeune, dans le contexte des champs profonds du HST, l’étude des déformations de l’espace-temps par l’effet de « lentille gravitationnelle » prévu par la relativité générale (et la détermination de la matière noire associée à ces amas de galaxies), la détection de l’atmosphère d’exoplanètes (et notamment du système TRAPPIST), et enfin les conditions de naissance des étoiles (les fameux Piliers de la Création, figure 1).

L’héritage scientifique du HST

En plus de 30 ans, Hubble a fourni plus de 1,4 million d’observations grâce à sa douzaine d’instruments scientifiques dont 5 sont toujours en service, et plus de 17000 publications scientifiques à comité de lecture. Sa base de données (Hubble Legacy Archive et Hubble Science Archive) contient plus de 164 téra-octets de données disponibles pour les chercheurs actuels et des générations à venir. Le hubblesite reste le meilleur point d’entrée pour le grand public avec une navigation agréable vers les images, les vidéos, les ressources pédagogiques et les derniers résultats scientifiques du HST vulgarisés (en anglais). La spectroscopie ultraviolette est l’un des apports majeurs du HST à l’astronomie, puisqu’aucune mission spatiale dans un proche futur ne prévoit d’embarquer un spectrographe ultraviolet.

Néanmoins, le télescope spatial James Webb (JWST pour James Webb Space Telescope) de la NASA (avec des contributions de l’ESA et de l’Agence Spatiale Canadienne), qui sera lancé le 18 décembre prochain, peut être vu comme son successeur scientifique, mais avec un miroir considérablement plus grand de 6,5 mètres d’envergure. Il observera principalement dans l’infrarouge (de 0,6 à 28 µm) pour pouvoir étudier les objets les plus éloignés ainsi que les objets les moins chauds, complémentant idéalement l’héritage scientifique du HST. The Conversation

Thibault Merle, Researcher in Astrophysics, Université Libre de Bruxelles (ULB) and Alain Jorissen, Maître de recherches honoraire, Fonds National de la Recherche Scientifique,, Université Libre de Bruxelles (ULB)

Cet article est republié à partir de The Conversation sous licence Creative Commons. Lire l’article original.

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