Les galaxies – ces vastes ensembles d’étoiles qui peuplent notre univers – sont partout. Mais combien de galaxies y a-t-il dans l’univers ? Les compter semble être une tâche impossible. Le nombre est un problème – une fois que le compte atteint les milliards, l’addition prend du temps. Un autre problème est la limitation de nos instruments. Pour obtenir la meilleure vue, un télescope doit avoir une grande ouverture (le diamètre du miroir principal ou de la lentille) et être situé au-dessus de l’atmosphère pour éviter la distorsion de l’air terrestre.
L’exemple le plus résonnant de ce fait est peut-être le Hubble eXtreme Deep Field (XDF), une image réalisée en combinant 10 ans de photographies du télescope spatial Hubble. Selon la NASA, le télescope a observé une petite parcelle de ciel à plusieurs reprises pendant un total de 50 jours. Si vous teniez votre pouce à bout de bras pour couvrir la lune, la zone XDF aurait la taille d’une tête d’épingle. En recueillant une faible lumière pendant de nombreuses heures d’observation, le XDF a révélé des milliers de galaxies, proches ou très éloignées, ce qui en fait l’image la plus profonde de l’univers jamais prise à cette époque. Donc, si ce petit point unique en contient des milliers, imaginez combien d’autres galaxies pourraient être trouvées dans d’autres points.
Bien que les estimations des différents experts varient, une fourchette acceptable se situe entre 100 et 200 milliards de galaxies, a déclaré Mario Livio, astrophysicien à l’Institut scientifique du télescope spatial à Baltimore, dans le Maryland. Lorsque le télescope spatial James Webb sera lancé en 2020, l’observatoire devrait révéler encore plus d’informations sur les premières galaxies de l’univers.
Aller en profondeur
À la connaissance de Livio, Hubble est le meilleur instrument disponible pour le comptage et l’estimation des galaxies. Le télescope, lancé en 1990, présentait initialement une distorsion sur son miroir principal qui a été corrigée lors d’une visite de la navette en 1993. Hubble a également subi plusieurs mises à niveau et visites de service jusqu’à la dernière mission de la navette qui s’y est rendue en mai 2009.
En 1995, les astronomes ont pointé le télescope sur ce qui semblait être une région vide d’Ursa Major, et ont recueilli 10 jours d’observations. Le résultat est une estimation de 3 000 galaxies faibles dans une seule image, allant jusqu’à une magnitude de 30. (À titre de comparaison, l’étoile polaire ou Polaris est à peu près de 2e magnitude.) Ce composite d’images a été appelé le Hubble Deep Field et était le plus loin que quelqu’un ait vu dans l’univers à l’époque.
A mesure que le télescope Hubble recevait des mises à niveau de ses instruments, les astronomes ont répété l’expérience deux fois. En 2003 et 2004, les scientifiques ont créé le Hubble Ultra Deep Field, qui, en un million de secondes d’exposition, a révélé environ 10 000 galaxies dans un petit point de la constellation de Fornax.
En 2012, toujours grâce à des instruments améliorés, les scientifiques ont utilisé le télescope pour examiner une partie du Ultra Deep Field. Même dans ce champ de vision plus étroit, les astronomes ont pu détecter environ 5 500 galaxies. Les chercheurs ont surnommé cela le champ eXtreme Deep Field.
En tout, Hubble révèle environ 100 milliards de galaxies dans l’univers, mais ce nombre est susceptible d’augmenter à environ 200 milliards à mesure que la technologie des télescopes dans l’espace s’améliore, a déclaré Livio à Space.com.
Compter les étoiles
Quel que soit l’instrument utilisé, la méthode d’estimation du nombre de galaxies est la même. Vous prenez la portion de ciel imagée par le télescope (dans ce cas, Hubble). Ensuite – en utilisant le rapport entre la tranche de ciel et l’univers entier – vous pouvez déterminer le nombre de galaxies dans l’univers.
« Cela suppose qu’il n’y a pas de grande variance cosmique, que l’univers est homogène », a déclaré Livio. « Nous avons de bonnes raisons de penser que c’est le cas. C’est le principe cosmologique. »
Le principe remonte à la théorie de la relativité générale d’Albert Einstein. Selon Einstein, la gravité est une distorsion de l’espace et du temps. Avec cette compréhension en main, plusieurs scientifiques (dont Einstein) ont essayé de comprendre comment la gravité affectait l’univers entier.
« L’hypothèse la plus simple à faire est que si vous regardiez le contenu de l’univers avec une vision suffisamment mauvaise, il semblerait à peu près le même partout et dans toutes les directions », a déclaré la NASA. « C’est-à-dire que la matière de l’univers est homogène et isotrope lorsqu’on en fait la moyenne sur de très grandes échelles. C’est ce qu’on appelle le principe cosmologique. »
Un exemple du principe cosmologique à l’œuvre est le fond diffus cosmologique, un rayonnement qui est un vestige des premiers stades de l’univers après le Big Bang. En utilisant des instruments tels que la sonde d’anisotropie micro-ondes Wilkinson de la NASA, les astronomes ont découvert que le CMB est pratiquement identique où que l’on regarde.
Le nombre de galaxies changerait-il avec le temps ?
Les mesures de l’expansion de l’univers – en regardant les galaxies s’éloigner de nous – montrent qu’il a environ 13,82 milliards d’années. Cependant, à mesure que l’univers vieillit et grossit, les galaxies vont s’éloigner de plus en plus de la Terre. Cela les rendra plus difficiles à voir dans les télescopes.
L’univers s’étend plus vite que la vitesse de la lumière (ce qui ne viole pas la limite de vitesse d’Einstein car l’expansion est celle de l’univers lui-même, plutôt que celle des objets voyageant dans l’univers). De plus, l’univers accélère son expansion.
C’est là que le concept d' »univers observable » – l’univers que nous pouvons voir – entre en jeu. Dans 1 trillion à 2 trillions d’années, a déclaré Livio, cela signifie qu’il y aura des galaxies qui sont au-delà de ce que nous pouvons voir depuis la Terre.
« Nous ne pouvons voir que la lumière des galaxies dont la lumière a eu suffisamment de temps pour nous atteindre », a déclaré Livio. « Cela ne signifie pas que c’est tout ce qu’il y a dans l’univers. D’où la définition de l’univers observable. »
Les galaxies changent aussi avec le temps. La Voie lactée est sur une trajectoire de collision avec la galaxie d’Andromède toute proche, et toutes deux fusionneront dans environ 4 milliards d’années. Plus tard, d’autres galaxies de notre Groupe local – les galaxies les plus proches de nous – finiront par se combiner. Les résidents de cette future galaxie auront un univers beaucoup plus sombre à observer, a déclaré Livio.
« Les civilisations ont commencé alors, ils n’auraient aucune preuve qu’il y avait un univers avec 100 milliards de galaxies », a-t-il dit. « Ils ne verraient pas l’expansion. Ils ne seraient probablement pas capables de dire qu’il y a eu un Big Bang. »
Qu’en est-il des autres univers ?
Alors que l’univers primitif se gonflait, certaines théories disent que différentes « poches » se sont détachées et ont formé différents univers. Ces différents endroits pourraient être en expansion à des taux différents, inclure d’autres types de matière et avoir des lois physiques différentes de celles de notre propre univers.
Livio a souligné qu’il pourrait y avoir des galaxies dans ces autres univers – s’ils existent – mais nous n’avons aucun moyen à l’heure actuelle d’en être sûrs. Ainsi, le nombre de galaxies pourrait même être supérieur à 200 milliards, si l’on considère les autres univers.
Dans notre propre cosmos, a déclaré Livio, les astronomes seront mieux à même d’affiner ce nombre lors du lancement du télescope spatial James Webb (pour lequel son institut gérera les opérations de la mission et la science). Hubble est capable d’observer les galaxies qui se sont formées environ 450 millions d’années après le Big Bang. Après le lancement de James Webb en 2020, les astronomes prévoient qu’ils pourront regarder aussi loin que 200 millions d’années après le Big Bang.
« Les chiffres ne vont pas beaucoup changer », a ajouté Livio, soulignant que les premières galaxies se sont probablement formées peu de temps avant. « Donc un nombre comme 200 milliards, c’est probablement ça pour notre univers observable. »
Les contributions deWebb
S’il est intéressant de compter le nombre de galaxies dans notre univers, les astronomes sont plus intéressés par la façon dont les galaxies révèlent comment l’univers s’est formé. Selon la NASA, les galaxies sont une représentation de la façon dont la matière dans l’univers était organisée – du moins, à grande échelle. (Les scientifiques s’intéressent également aux types de particules et à la mécanique quantique, du côté de la petite échelle). Parce que Webb peut remonter aux premiers temps de l’univers, ses informations aideront les scientifiques à mieux comprendre les structures des galaxies qui nous entourent aujourd’hui.
« En étudiant certaines des premières galaxies et en les comparant aux galaxies actuelles, nous pourrons peut-être comprendre leur croissance et leur évolution ». Webb permettra également aux scientifiques de recueillir des données sur les types d’étoiles qui existaient dans ces galaxies très anciennes », a déclaré la NASA à propos de la mission de Webb. « Des observations de suivi utilisant la spectroscopie de centaines ou de milliers de galaxies aideront les chercheurs à comprendre comment les éléments plus lourds que l’hydrogène se sont formés et accumulés au fur et à mesure de la formation des galaxies à travers les âges. Ces études révèleront également des détails sur les galaxies en fusion et éclaireront le processus de formation des galaxies lui-même. »
Selon la NASA, voici quelques-unes des questions clés auxquelles Webb répondra à propos des galaxies :
- Comment se forment les galaxies ?
- Qu’est-ce qui leur donne leurs formes ?
- Comment les éléments chimiques sont-ils répartis dans les galaxies ?
- Comment les trous noirs centraux des galaxies influencent-ils leurs galaxies hôtes ?
- Que se passe-t-il lorsque des galaxies petites et grandes entrent en collision ou se rejoignent ?
Les scientifiques s’intéressent également au rôle que joue la matière noire dans l’assemblage des galaxies. Alors qu’une partie de l’univers est visible sous des formes telles que les galaxies ou les étoiles, la matière noire est ce qui constitue la majeure partie de l’univers – environ 80 % de celui-ci. Alors que la matière noire est invisible dans les longueurs d’onde de la lumière ou à travers les émissions d’énergie, des études de galaxies datant des années 1950 ont indiqué qu’il y avait beaucoup plus de masse présente dans celles-ci que ce qui était visible à l’œil nu.
« Les modèles informatiques que les scientifiques ont réalisés pour comprendre la formation des galaxies indiquent que les galaxies sont créées lorsque la matière noire fusionne et s’agglomère », a déclaré la NASA. « On peut la considérer comme l’échafaudage de l’univers. La matière visible que nous voyons s’accumule à l’intérieur de cet échafaudage sous la forme d’étoiles et de galaxies. Les puissants miroirs de la sonde Webb permettront aux scientifiques d’étudier de près la formation des galaxies, y compris le rôle de la matière noire. Si cette enquête ne répond pas directement à la question de savoir combien de galaxies il y a dans l’univers, elle aide les scientifiques à mieux comprendre les processus à l’origine des galaxies que nous voyons, ce qui permet de mieux renseigner les modèles sur les populations galactiques.