Spectroscopie, nature de la galaxie, expansion de l’Univers… Aux XIXe et XXe siècles, les découvertes s’accélèrent. Herschel, Einstein ou encore Hubble posent les bases des connaissances astrophysiques modernes et de la cosmologie.

Deux nébuleuses vues par Hubble : une petite bleue en bas à gauche de l'image, et une grande rouge à droite qui évoque un récif corallien.
“Récif corallien cosmique” : la nébuleuse géante rouge NGC 2014 et sa petite voisine bleue NGC 2020 dans le Grand Nuage de Magellan, vues par le satellite Hubble pour ses trente ans en 2020. Crédit : Nasa/Esa/STScl

Nous sommes au début du XIXe siècle. La théorie de l’héliocentrisme qui défend que la Terre et les planètes sont en orbite autour du Soleil est acceptée. Mais depuis presque deux siècles, les découvertes scientifiques dans le domaine de l’astronomie se font au compte-gouttes.

Parmi les quelques faits remarquables tout de même, en 1755 le philosophe Emmanuel Kant tente pour la première fois d’expliquer la formation du Système solaire en utilisant la mécanique, et notamment les travaux de Newton. En 1769, l’explorateur James Cook effectue une mesure directe inédite : celle des distances Terre-Vénus-Soleil. Uranus est enfin considérée comme une planète grâce à l’astronome britannique Nevil Maskelyne, et William Herschel découvre en 1787 ses deux premiers satellites Titania et Obéron.

Dessin en noir et blanc du Fort Vénus construit par l'explorateur James Cook à Tahiti : on y voit la mer et des bateaux au premier plan et au centre plusieurs bâtiments encerclés par une enceinte de pierre et de bois.
Fort Vénus, construit en 1769 à Tahiti par James Cook, à l’occasion de son voyage pour observer le transit de Vénus. Crédit : Charles Praval/H.D. Söring

Herschel met également en évidence le mouvement de translation propre du Soleil vers les constellations d’Hercule et de la Lyre, déduisant ainsi que le Soleil n’est qu’une étoile parmi d’autres, en mouvement à l’intérieur de la Voie lactée. Une perspective qui ouvre de nouveaux horizons dans la compréhension de notre Univers

Premières photographies du ciel

Le début du XIXe siècle est marqué par la découverte de la ceinture d’astéroïdes entre Mars et Jupiter. Le premier astre lui appartenant est observé par l’Italien Giuseppe Piazzi, puis des dizaines d’autres suivent pendant une cinquantaine d’années. À noter qu’aujourd’hui, déceler un nouvel astéroïde dans la ceinture principale n’a plus rien d’extraordinaire. Rien qu’entre 1995 et 2005, grâce à des programmes informatiques, plusieurs dizaines ont été détectés… chaque jour !

En outre, en 1846, la planète Neptune est repérée.

Toutefois, la révolution majeure des années 1800 concerne plus particulièrement les principes physiques liés à l’observation du ciel et notamment l’optique. Les premières photographies d’astres sont effectuées. Le prêtre italien Angelo Secchi est l’un des pionniers : il comprend qu’une exposition de plusieurs heures permet d’augmenter la luminosité des images et rend ainsi certains détails visibles.

Quatre photos de l'éclipse de Soleil du 18 juillet 1860 prises par Angelo Secchi : les deux du haut ont des teintes rose/violet, celle en bas à gauche bleu, et en bas à droite marron. Chaque image représente un cercle foncé avec autour la couronne de lumière solaire créée par l'éclipse.
L’éclipse totale de Soleil du 18 juillet 1860 photographiée par Angelo Secchi. Crédit : Angelo Secchi

Avènement de la spectroscopie

Au XIXe siècle, on voit aussi se développer la spectroscopie. Cette technique de mesure bouleverse l’astronomie, c’est encore de nos jours un des outils majeurs de l’astrophysique moderne. William Herschel découvre la lumière infrarouge en 1800 (voir les Rappels sur la lumière), tandis que le physicien britannique William Wollaston met en évidence deux ans plus tard les raies d’absorption dans le spectre solaire.

Les gammes de longueurs d'ondes et le spectre solaire : on voit sur un rectangle horizontal avec à gauche le bleu et à droite le rouge, les différentes gammes de longueur d'ondes (gamma, X, UV, spectre solaire, infrarouge, etc.)
Les gammes de longueurs d’ondes et le spectre solaire. Crédit : Fondriest Environmental

Grâce aux travaux du physicien prussien Kirchhoff, un des plus grands scientifiques du siècle, et du chimiste allemand Bunsen, les spectres électromagnétiques reçoivent en 1859 une interprétation physique. La spectroscopie devient alors une mine d’informations sur les caractéristiques des astres, puisque l’aspect des spectres est directement lié à la température et aux éléments chimiques en présence.

Plus en détails, lorsqu’un gaz est soumis à une décharge électrique dans certaines conditions, ses électrons se chargent en énergie. Puis le gaz revient naturellement à son état initial : les électrons relâchent cette énergie sous forme de lumière à des longueurs d’ondes spécifiques, les raies d’émission.

Le spectre qui en résulte est ainsi constitué d’un ensemble de raies lumineuses sur fond sombre. En observant l’agencement de ces raies, on peut déduire de quel élément il s’agit.

Sur fond noir (long rectangle horizontal), on voit quatre raies d'émission de l'hydrogène : de gauche à droite en couleurs rose, violet, bleu et orange.
Le spectre d’émission de l’hydrogène. Crédit : Spitzer Science Center/JPL/Nasa

D’autre part, un gaz éclairé par une source de lumière dans certaines conditions absorbe les photons à des longueurs d’onde spécifiques.  Le spectre coloré de la lumière est alors barré d’un ensemble de raies sombres, ou raies d’absorption, spécifiques au gaz traversé.

Par exemple, lorsqu’une étoile émet de la lumière, les éléments chimiques présents dans son enveloppe absorbent une partie spécifique de ce rayonnement. Ces zones correspondant aux raies d’absorption permettent de remonter jusqu’aux éléments chimiques en question.

Sur deux fonds multicolores du spectre continu de la lumière blanche (deux longs rectangles horizontaux avec les violet/bleu à gauche et les jaune/rouge à droite), on voit sur le premier les raies d'absorption du Soleil (traits noir) et les quatre raies d'absorption de l'hydrogène sur le rectangle du bas.
Les spectres d’absorption du Soleil (en haut) et de l’hydrogène (en bas) : il y a donc de l’hydrogène à la surface du Soleil. Crédit : Spitzer Science Center/JPL/Nasa

Dans les années 1880, l’analyse spectrale ou étude des raies et des longueurs d’onde d’un spectre devient progressivement la spectroscopie.

Le temps et l’espace ne sont plus immuables

Le début du XXe siècle est marqué par le travail du physicien théoricien le plus célèbre de l’Histoire : Albert Einstein. D’origine allemande, il a élaboré les théories de la relativité restreinte et de la relativité générale qui sont à la base de l’astrophysique moderne.

Photo en noir et blanc d'Einstein. On voit son buste et sa tête, il est habillé d'une veste épaisse fermée et a les cheveux blancs, ébouriffés. Il a une moustache.
Albert Einstein (1947). Crédit : Oren Jack Turner/Princeton N.J.

Avant Einstein, la perception de l’espace et du temps était celle de Newton : un espace absolu immuable et un temps absolu universel. Mais avec la théorie de la relativité restreinte en 1905, tout change. À présent, l’espace et le temps sont des notions interdépendantes.

En 1915 s’ensuit la relativité générale, une théorie de la gravitation qui complète la relativité restreinte. Désormais, Einstein considère que l’attraction gravitationnelle observée entre les masses (la Terre attire la Lune par exemple) est due à une déformation de l’espace et du temps par ces masses elles-mêmes.

Représentation de l'espace-temps courbe en relativité générale : sur fond noir, la Terre est comme posée sur un quadrillage blanc, qui plie sous sa masse (comme une boule sur un drap)
En relativité générale, la gravité correspond au mouvement des particules dans un espace-temps courbe. Crédit : Nasa

La relativité générale est à la base de notre compréhension des trous noirs – régions à l’attraction gravitationnelle si intense que la lumière elle-même ne peut s’en échapper – et fait partie du modèle cosmologique du Big Bang.

Naissance de la cosmologie

Autre grand nom des années 1900, Edwin Hubble. L’astronome américain démontre en 1923 que la galaxie d’Andromède est située en dehors de la Voie lactée. Ainsi, il prouve qu’il existe bien d’autres galaxies que la nôtre.

Quatre ans plus tard, le Belge Georges Lemaître observe que les spectres des objets lointains de l’Univers, les autres galaxies, sont décalés en longueur d’onde vers le rouge. Il émet alors l’hypothèse que l’Univers est en expansion, c’est-à-dire que les galaxies s’éloignent les unes des autres. Lemaître est le premier à introduire la théorie du Big Bang.

Sur fond noir, une multitudes de points et formes brillants, légèrement bleu, jaune, rouge, orange, vert... Ce sont 15 000 galaxies visibles sur le même cliché. En bas à gauche, on voit nettement une galaxie spirale.
Cette image comporte à elle seule… 15 000 galaxies ! (2018) Crédit : Nasa/Esa/P. Oesch (Université de Genève)/M. Montes (University of the New South Wales)

Puis en 1929, Hubble précise grâce à la spectroscopie que la vitesse d’éloignement des galaxies est proportionnelle à leur distance au Système solaire. Autrement dit, plus une galaxie est lointaine, plus elle s’éloigne rapidement de nous. Cette affirmation appuie l’hypothèse d’un univers en expansion depuis un Big Bang initial, aujourd’hui globalement acceptée par la communauté scientifique.

Juste après cette découverte qui révolutionne notre vision de la structure de l’Univers, la planète Pluton est identifiée. On observe les premières tempêtes de sable à la surface de Mars et le cycle de vie des étoiles – notamment la nucléosynthèse primordiale – est mis en lumière.

Le premier contact radar avec un astre, en l’occurrence la Lune, est établi le 10 janvier 1946. Puis dix neuf ans plus tard, c’est le fond diffus cosmologique, l'”écho” du Big Bang, qui est découvert. À partir de ce moment, les astrophysiciens utilisent sans retenue la radioastronomie. Enfin, après le premier pas de l’Homme sur la Lune en 1969, les années 1970 marquent le commencement de l’exploration spatiale à l’aide de sondes. Télescopes spatiaux, orbiteurs, rovers… et depuis ces technologies n’ont pas cessé d’évoluer !

Lisez ou relisez nos deux autres articles sur l’Histoire de l’astronomie : Qui étaient les tout premiers astronomes ? et Histoire de l’astronomie : “le Soleil au centre de l’Univers”.