sars qui émettent des ondes radioélectriques, appelés QSR, ont un rayonnement continu synchrotron qui peut varier du simple au double en un jour, la région active responsable de cette variation étant donc très petite, infé-
rieure à l’unité astronomique. Mais, la plupart des quasars, appelés QSO, n’ont pas d’émission radioélectrique.
Leur spectre optique comporte un fond continu synchrotron auquel se superposent des raies d’émission larges, caractéristiques d’une nébuleuse gazeuse de 15 000 K, de masse 106 masses
solaires et de rayon 10 pc, formant une atmosphère autour d’un noyau actif.
Les noyaux des galaxies de Seyfert et certaines galaxies très compactes ressemblent fort à des quasars, dont la nature est encore inconnue. Jusqu’à la magnitude 20, il y a environ 106 quasars optiques. Enfin, la découverte des plus lointains quasars a révolutionné l’astrophysique : leur vitesse de récession, d’après la loi Doppler-Fizeau, dépasse la vitesse c de la lumière.
Ainsi, celle du quasar 4C 05 . 34 est de 863 100 km/s, soit près de trois fois la vitesse de la lumière c. Certains astrophysiciens remettent en question l’interprétation du décalage spectral par une vitesse de récession et font appel à des effets relativistes ; d’autres supposent que les grandeurs physiques, telles que la masse de l’électron, apparemment constantes dans notre voisinage, sont différentes dans des astres très lointains. Actuellement, le problème n’est pas résolu. Mais si l’interprétation par une vitesse de récession est valable, il est, par contre, certain que la mécanique classique de Newton et la loi Doppler-Fizeau ne sont pas valables pour des astres dont la vitesse de récession approche celle de la lumière.
Le domaine de la
relativité générale
Au-delà de 1 Gpc, il faut faire appel à la relativité générale d’Einstein. Dès le début du XXe s., plusieurs faits astronomiques ont mis en cause la validité de la mécanique newtonienne, et plusieurs observations à des distances bien inférieures au gigaparsec n’étaient pas explicables par la mécanique classique. En revanche, elles s’interpré-
taient par l’effet relativiste d’un fort
champ gravitationnel. Ainsi en est-il pour la planète Mercure, proche du Soleil, dont l’orbite elliptique n’est pas fixe par rapport aux étoiles, le périhélie avançant de 43 secondes d’arc environ par siècle. Pendant l’éclipse de 1919, devenue historique, car elle permit de confirmer une prédiction de la théorie d’Einstein, on a pu observer des étoiles très proches angulairement du Soleil et dont les rayonnements nous parvenaient après être passés tout près du globe solaire. La comparaison avec les positions des étoiles observées à une époque antérieure, quand le Soleil n’était pas dans le champ, a montré que les rayons lumineux étaient déviés par le Soleil. Actuellement, on observe cette déviation sur des ondes radioélectriques provenant de quasars d’aspect ponctuel, précis comme des étoiles.
De même, un fort champ de pesanteur modifie l’énergie d’une onde électromagnétique : ce fait a été observé sur des rayonnements sortant d’étoiles, en particulier du Soleil, dont les raies spectrales sont en effet rougies.
Principes
Pour interpréter l’expérience d’Albert Michelson (1852-1931) montrant que la lumière ne se comporte pas comme un phénomène mécanique et que sa vitesse de propagation ne se compose pas avec la vitesse de rotation de la Terre, Einstein conçoit les deux principes de base de la théorie de la relativité restreinte : le principe de relativité, selon lequel la vitesse de propagation de la lumière est indépendante du mouvement du laboratoire qui la reçoit, et le principe de l’invariance de la vitesse de la lumière, selon lequel la vitesse de propagation de la lumière est indé-
pendante du mouvement de la source qui l’émet. Il en déduit qu’aucun corps matériel ne peut se mouvoir à une vitesse supérieure ou égale à celle de la lumière : c = 300 000 km/s. La relativité générale repose sur un troisième principe, qui est le principe de l’équivalence entre force gravitationnelle et force d’inertie. Elle comprend les trois propositions suivantes.
1. L’Univers est rempli de matière et d’énergie (sous forme de rayonnements, par exemple) qui sont locali-
sées par trois coordonnées d’espace, x, y, z, et une coordonnée de temps, t ; l’ensemble forme l’espace-temps S à quatre dimensions.
2. La distribution de la matière et de l’énergie dans l’Univers détermine la structure géométrique de l’espace-temps S (matière-énergie géomé-
trie) : cette interdépendance est régie par les équations d’Einstein.
3. Les particules de matière dans l’Univers décrivent dans l’espace-temps S
des courbes, dites lignes d’Univers des particules, qui sont des géodésiques de l’espace-temps, une géodésique étant downloadModeText.vue.download 29 sur 635
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le plus court chemin entre deux points.
Il n’est plus besoin d’attraction gravitationnelle à distance pour expliquer les mouvements des corps matériels : ceux-ci ont la propriété de suivre les géodésiques de l’espace-temps S.
Ainsi, les orbites planétaires, la trajectoire d’un corps tombant en chute libre ou bien celle d’un rayon lumineux sont des géodésiques dans l’espace-temps S. Les équations de la relativité générale sont impossibles à résoudre dans leur généralité. Mais, si l’on suppose l’Univers homogène et isotrope, c’est-à-dire l’espace possédant les mêmes propriétés dans toutes les directions, on trouve que l’espace-temps peut être représenté par un espace courbe à trois dimensions, x, y, z, dont le rayon de courbure R est fonction d’un temps appelé temps cosmique.
Conditions d’application
À petite échelle, les galaxies ne sont pas distribuées de façon homogène.
Elles se répartissent en petits groupes de 1 à 2 Mpc de diamètre, contenant de six à dix galaxies et séparés les uns des autres par environ 7 Mpc. Le groupe qui contient la Galaxie et Andromède s’appelle le Groupe local. Il existe des groupements plus importants, les amas, rassemblant de 200 à 300 galaxies, comme l’Amas Virgo, ou plus encore.
George O. Abell a dénombré, jusqu’à
une distance de 800 Mpc, 2 700 amas riches d’un millier de galaxies, tels que l’amas de Coma. Il existe aussi des amas d’amas. Abell en a trouvé dix-sept, groupant en moyenne une dizaine d’amas riches et autant de plus petits, dans un diamètre d’environ 50 Mpc.
Néanmoins, le comptage du nombre N
de galaxies individuelles observées dans un degré carré de ciel, jusqu’à une magnitude limite m = 18,5, prouve qu’à grande échelle la population est uniforme. C’est ce qu’indique le coefficient 0,6 de la formule obtenue : log10N = 0,6 m – 9,1.
Dans les comptages de radiosources, des effets évolutifs et relativistes apparaissent, mais la répartition est isotrope jusqu’à une grande distance. À
l’échelle des distances considérées, les étoiles individuelles n’interviennent pas. Cependant, leur importance cos-mogonique est très grande, en particulier dans l’évolution chimique du contenu de l’Univers. Elles se forment à partir de gaz qu’elles transforment dans leur fournaise centrale, par synthèse thermonucléaire, en éléments gazeux plus lourds, qu’elles rejettent ensuite en partie dans le milieu galactique, à partir duquel se formeront de nouvelles étoiles. Elles ont aussi un grand intérêt physique, car elles permettent l’étude de conditions physiques et d’états de la matière inconnus sur Terre, tels que les très hautes températures, les très faibles densités, l’état hyperdense des pulsars. Les mo-lécules organiques découvertes dans l’espace interstellaire sont d’un intérêt considérable pour les problèmes de la vie ; mais, pour l’étude de la structure de l’Univers à grande échelle, seules sont prises en compte les galaxies qui peuvent être considérées comme les molécules d’un gaz homogène et isotrope remplissant l’Univers. La pression de ce gaz est négligeable, car les vitesses d’agitation des galaxies sont très petites par rapport à leurs vitesses de récession.