L'échelle des distances dans l'Univers

A cause de l'expansion de l'univers, la question de la distance d'une galaxie très lointaine est particulièrement délicate à résoudre. Elle dépend surtout de votre point de vue...

The separation of galaxies
Posons le problème de la définition de la distance dans un univers en expansion : Deux galaxies se trouvent proches l'une de l'autre lorsque l'univers n'est agé que d'un milliard d'années. La première galaxie émet une impulsion lumineuse. La seconde galaxie ne reçoit pas l'impulsion avant que l'univers n'ait 14 milliards d'années. Pendant ce temps, les galaxies se sont séparées de 26 milliards d'années lumière ; l'impulsion lumineuse a voyagé pendant 13 milliards d'années ; et les habitants de la seconde galaxie voient la première telle qu'elle était quand elle n'avait qu'un milliard d'années et qu'elle se trouvait à 2 milliards d'années lumière.

Il y a donc quatre échelles de distance communément utilisées en cosmologie :

(1) Distance de Luminosité - DL
Dans un univers en expansion, les galaxies lointaines sont beaucoup moins lumineuses que ce à quoi on pourrait s'attendre parce que la lumière émise se répartit sur une surface supérieure à celle d'une sphère (ce qui équivaut à une dilatation du temps). C'est pourquoi il faut d'énormes télescopes pour voir les galaxies les plus lointaines. Les galaxies les plus lointaines visibles au travers du télescope spatial Hubble sont si faibles qu'elles apparaissent comme si elles se trouvaient à 350 milliards d'années lumière, même si en réalité elles sont beaucoup plus près.

La distance de luminosité n'est pas une échelle de distance réaliste mais elle est utile pour déterminer comment nous apparaissent les galaxies les plus distantes.

(2) Distance Angulaire - DA
Dans un univers en expansion, nous voyons les galaxies qui se trouvent près du bord de l'univers visible lorsqu'elles étaient très jeunes, il y a près de 14 milliards d'années, parce que c'est le temps qu'il a fallu à la lumière pour nous parvenir. Cependant, ces galaxies bien que très jeunes, se trouvaient également beaucoup plus proches de nous.

Les plus lointaines galaxies visibles avec le télescope spatial Hubble ne se trouvaient qu'à quelques milliards d'années lumière de nous lorsqu'elles ont émis leur lumière. Ceci a pour conséquence que ces galaxies très lointaines apparaissent plus grandes que ce qu'on peut penser, comme si elles ne se trouvaient qu'à 3 milliards d'années lumière (mais elles sont aussi très peu lumineuses - voir la Distance de Luminosité).

La distance angulaire est un indicateur de l'éloignement réel de la galaxie lorsqu'elle a émis la lumière que nous voyons maintenant.

(3) Distance Comobile - DC
La distance comobile est l'échelle de distance qui s'étend avec l'univers. Elle nous dit où se trouvent maintenant les galaxies, même si nous voyons l'univers alors qu'il était beaucoup plus jeune et petit. Avec cette échelle, le bord extrème de l'univers visible se situe maintenant à 47 milliards d'années lumière. Les galaxies les plus lointaines visibles par le télescope spatial Hubble se trouvent actuellement à 32 milliards d'années lumière.

La distance comobile est l'opposée de la distance angulaire - elle nous renseigne sur la position actuelle des galaxies plutot qu'au moment où elles ont émis la lumière que nous voyons maintenant.

(4) Distance Propre de Propagation des Photons - DLT
La distance propre des photons représente le temps mis par la lumière des galaxies lointaines pour nous atteindre. Voilà ce que veut dire l'expression "l'univers a un rayon de 14 milliards d'années lumière" - c'est juste une façon de dire que notre univers est agé d'environ 14 milliards d'années, et que la lumière de sources plus lointaines n'a pas encore eu le temps de nous parvenir.

La distance propre des photons est plus une mesure de temps qu'une mesure de distance. Elle est surtout utile parce qu'elle nous indique de combien de temps date la vue de la galaxie que nous regardons.


Pour les petites distances (en dessous d'environ 2 milliards d'années lumière) les quatre échelles de distance convergent et deviennent identiques, il est donc plus facile de définir les distances des galaxies dans l'univers local proche de nous.

Ci-dessous, un tracé des quatre échelles de distance en fonction du redshift. Le redshift est une mesure de la vitesse provoquée par l'expansion de l'univers - une galaxie avec un grand redshift se situe plus loin qu'une galaxie avec un petit redshift. Les galaxies les plus lointaines visibles par le télescope spatial Hubble se trouvent au redshift 10, et les protogalaxies les plus distantes de l'univers sont sans doute aux alentours d'un redshift de 15. Le bord de l'univers visible possède un redshift infini. Un télescope d'amateur typique, en comparaison, ne peut pas voir au delà d'un redshift de 0.1 (environ 1.3 milliard d'années lumière).

Distance Scales in the Universe

La Distance de Luminosité (DL) nous montre pourquoi il est si difficile de voir les galaxies les plus lointaines - une protogalaxie très lointaine avec un redshift de 15 nous apparaitrait comme si elle se trouvait éloigné de 560 milliards d'années lumière, même si sa Distance Angulaire (DA) nous dit qu'elle était à 2.2 milliards d'années lumière lorsqu'elle a émis la lumière que nous voyons maintenant. La Distance Propre des Photons (DLT) nous indique que cette protogalaxie aurait voyagé pendant 13.6 milliards d'années entre le moment où elle a émis sa lumière et maintenant. Enfin la Distance Comobile (DC) nous dit que cette même galaxie aujourd'hui, si nous pouvions la voir, serait à environ 35 milliards d'années lumière de nous.

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