Club d’Astronomie de Lyon Ampère

La mesure des distances dans l’Univers

La parallaxe

samedi 28 avril 2007 par Jacques Murienne

Comme nous l’avons vu dans l’article précédent , la détermination précise de la distance des corps célestes dans l’univers est l’un des problèmes cruciaux de l’astronomie. Actuellement, les astrophysiciens disposent des nombreuses techniques de mesures qui sont mises en œuvre au sein d’une discipline, l’Astrométrie, qui est la branche de l’astronomie qui s’occupe de mesurer avec une grande précision les positions des astres dans le ciel. La mesure de la parallaxe est à la base de notre connaissance de l’échelle des distances cosmiques.

Distances proches

Jusqu’à une centaine d’années-lumière.
Ce sont les astrométristes qui mesurent le faible déplacement apparent de centaines d’étoiles proches, dû à la modification de la ligne de visée lorsque la Terre parcourt son orbite au cours d’une année, et qu’on appelle « parallaxe trigonométrique ».

La parallaxe
 [1]
est une méthode géométrique de triangulation basée sur une mesure d’angle...

La position de l’étoile dans le ciel est mesurée tout au long de l’année, lorsque la Terre se trouve en différents points de son orbite autour du soleil. La petite différence angulaire obtenue entre deux mesures espacées de six mois correspond donc à l’angle sous-tendu par le grand axe de l’orbite en regardant depuis l’étoile.
On peut en déduire la distance de l’étoile par simple triangulation :

 tan \theta = \frac {côté opposé} {côté adjacent} = \frac {d} {D}

comme l’angle est très petit, la tangente est égale à l’angle lui-même exprimé en radians.
Ainsi, par exemple , l’angle de parallaxe de l’étoile Proxima du Centaure vaut 0,77 seconde d’arc, on en déduit la valeur de sa distance à 1,3 parsec (soit environ 4 années-lumière).

L’utilisation de télescopes de plus en plus performants, y compris le télescope spatial Hubble, a permis de faire des mesures précises de parallaxe pour des étoiles situées jusqu’à une centaine d’années-lumière environ.

Un peu d’histoire

L’énigme des distances stellaires a été un casse-tête pour des générations d’astronomes et leur incapacité à le résoudre a jeté un doute sur la théorie de Copernic, selon laquelle la Terre tourne autour du Soleil.
Ainsi, les étoiles devraient apparemment changer de position lorsque nous les observons des deux côtés opposés du Soleil, à 6 mois d’intervalle, effet que nous connaissons sous le nom de parallaxe .

En fait, le déplacement de la position des étoiles était imperceptible du fait de leur incroyable distance !
Après 28 années passées à Kônigsberg, à aiguiser et affiner ses observations, c’est Friedrich BESSEL qui, en 1838, effectua la première mesure de la parallaxe stellaire, le décalage apparent de la position d’une étoile dû au mouvement de la Terre.

Ceci fut rendu possible grâce à la mise au point, au début du XIX ème siècle, à partir de lentilles allemandes remarquablement façonnées, d’un oculaire à trois lentilles qui réduisit le problème de l’aberration chromatique, difficulté que rencontraient les astronomes lorsqu’ils devaient focaliser des rayons lumineux.

En prenant méticuleusement des mesures tous les six mois, il pût affirmer qu’une étoile appelée « 61 Cygni » changeait de position selon un angle de 0,6272 seconde d’arc, soit environ un six millième de degré (attention, pour le calcul, prendre 0,6272/2 !).

BESSEL évalua la distance de 61 Cygni à environ 100.000 milliards de Km, pour 108.000 mds mesurés aujourd’hui, soit 11,4 années-lumière.

La communauté des astronomes fut effarée par la distance qui séparait 61 Cygni de notre planète, d’autant plus qu’il s’agissait, selon leurs observations, d’une des étoiles les plus proches de la Terre.

Cela signifiait, par analogie, que si tout le système solaire tenait à l’intérieur d’une maison, les étoiles les moins éloignées se trouveraient alors à des dizaines de kilomètres de distance.

Dans ces conditions, il ne faisait aucun doute que la densité de notre Voie lactée était très faible et que celle-ci ne contenait qu’une poussière d’étoiles très clairsemée.

AUGMENTER LA PORTEE DES MESURES : le millier d’années-lumière.

A l’ère des satellites, il fut vite évident que la mise en orbite d’observatoires spatiaux dédiés permettrait une plus grande précision et donc, d’augmenter de manière significative la portée des mesures de la parallaxe des étoiles !

Vue d’artiste du satellite Hipparcos
Crédit NASA

Le satellite HIPPARCOS
 [2]
de l’ESA, lancé en 1989, a scanné le ciel pendant presque 4 années, et a permis de calculer les distances pour des étoiles à quelques milliers d’années-lumière.

Cette compilation monumentale publiée en 1997, supplanta d’un seul coup toutes les études précédentes comme un recensement sûr de la position et de la luminosité d’un million des étoiles les plus brillantes de la Galaxie.
Elle se concrétisa au travers de l’édition des catalogues « Hipparcos et Tycho ».

Ainsi, l’édition 1998 du fameux « SKY ATLAS 2000 » a été complètement réactualisée à partir de ces deux catalogues.
Actuellement, le satellite GAIA, successeur d’Hipparcos est en cours d’étude détaillée à EADS/Astrium pour un lancement prévu en 2012.

L’observatoire spatial sera placé au point le Lagrange L2, à 1,5 million de kilomètres de la Terre d’où il mesurera des distances d’un milliard d’étoiles de la voie Lactée jusqu’à la 20ième magnitude.

La précision atteinte à ce jour par les astrométristes est de l’ordre du millième de seconde d’arc (inférieur au millionième de degré).

Le satellite GAIA pourrait encore améliorer cette précision d’un facteur mille. On accédera alors à la distance géométrique de presque toutes les étoiles assez brillantes de la Galaxie !

[1Si vous placez votre pouce dans le champ de votre regard, son alignement avec les objets lointains change selon que vous regardez avec l’œil gauche ou l’œil droit. Cet effet de perspective s’appelle la parallaxe. De même, à mesure que la Terre se déplace autour du Soleil, les étoiles proches changent légèrement de position par rapport aux étoiles les plus distantes, à l’arrière-plan. Ce changement d’angle permet de calculer par trigonométrie l’éloignement des étoiles proches.

[2Le satellite Hipparcos (HIgh Precision PARallax COllecting Satellite, satellite de mesure de parallaxe à haute précision) fut un projet de l’agence spatiale européenne dédié à la mesure de la parallaxe et du mouvement propre des étoiles. Le satellite fut utilisé pour mesurer la distance de plus de 2,5 millions d’étoiles situées à moins de 150 parsecs de la Terre. Le résultat tient en trois catalogues d’étoiles : les catalogues Hipparcos, Tycho et Tycho 2. Le satellite fut nommé en l’honneur de l’astronome grec Hipparque, premier à compiler un catalogue d’étoiles.


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