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Loi de Hubble

En astronomie, la Loi de Hubble énonce que les galaxies s'éloignent les unes des autres et que leurs vitesses d'éloignement sont proportionnelles à leurs distances. Autrement dit, plus une galaxie est loin de nous, plus elle semble nous fuir (voir toutefois galaxie d'Andromède, qui fonce vers nous).

Elle fut énoncée par Edwin Hubble en 1929 et fut le premier indice de l'expansion de l'univers et, en extrapolant dans le passé, est à l'origine de la théorie du Big Bang dont elle est un des éléments de confirmation.

Hubble découvrit cette loi en observant le décalage vers le rouge du spectre de galaxies proches, un effet similaire à l'effet Doppler-Fizeau.

En comparant ce décalage à la distance les distances de ces galaxies là où celles-ci étaient connues, il trouva une relation linéaire entre les deux.

Il interpréta ce résultat en supposant que le décalage observé était causé par la vitesse d'éloignement de ces galaxies. Le rapport entre la distance et la vitesse est appelé constante de Hubble et est estimé actuellement entre 50 et 90 km/s/Mpc. En extrapolant ce résultat, on pouvait donc probablement avoir une estimation de la distance de celles des galaxies dont la distance n'était pas mesurable par parallaxe.

La valeur trouvée initialement par Hubble était de 500 km/s/Mpc était trop élevée car les suppositions faites sur les objets observés conduisaient à une sous-estimation de leurs distances. Néanmoins, la relation fut confirmée par après.

On note donc la loi ainsi :

v = H₀.d

Avec v la vitesse de fuite apparente en km/s, d la distance en Mpc (megaparsec) et H₀ la constante d'Hubble en km/s/Mpc. L'inverse de cette constante est le temps d'Hubble. On peut dériver mathématiquement cette loi en assumant le principe cosmologique, c'est-à-dire que l'univers est, à grande échelle, isotrope et homogène.

La valeur de la constante de Hubble était le sujet d'une longue controverse entre Gérard de Vaucouleurs, qui affirmait qu'elle était de 100, et Allan Sandage qui affirmait qu'elle était de 50. Le projet Hubble key a permis d'améliorer considérablement la détermination de cette valeur et l'estimation finale, publiée en mai 2001, est de 72±8 km/s/Mpc.

La constante de Hubble est une constante dans le sens où elle est valable pour toutes vitesses et distances, mais ne représente que la valeur actuelle de H, habituellement appelée paramètre de Hubble, qui décroit avec le temps. Si l'on suppose que les galaxies gardent leur vitesse relativement à nous, alors nous avons d = v.t et il s'ensuit que H = 1/t_H où t_H est le temps de Hubble et correspondrait à la durée depuis le Big Bang. Ceci permet une estimation de l'âge du l'univers et c'est pourquoi la loi de Hubble est si importante.

En se fondant sur des observations récentes, on estime actuellement que l'expansion de l'univers s'accélère, ce qui signifie que H > 1/t et que l'estimation 1/H₀ (± 11 à 20 milliard d'années) est trop petite pour l'âge de l'univers.

Plusieurs autres constatations peuvent être faites :

• La distance d des galaxies proches peut être estimée en comparant leur luminosité apparente à leur luminosité absolue.
• Pour les galaxies lointaines, on est obligé d'utiliser pour d leur distance actuelle et non leur distance quand leur lumière à été émise. Cette distance est extrêmement difficile à estimer.
• La vitesse v est définie comme le taux de variation de d par rapport au temps. Pour des galaxie relativement proches, cette vitesse peut être estimée à partir de leur décalage vers le rouge z en utilisant la formule v ≈ zc où c est la vitesse de la lumière.
• Les systèmes qui sont liés par la gravitation, tel que les amas de galaxies, ne sont pas sujet à la loi de Hubble et ne s'étendent donc pas.

Autres hypothèses proposées

D'autres hypothèses ont été proposées pour tenter d'expliquer le décalage vers le rouge, parmi lesquelles une éventuelle « fatigue de la lumière » évoquée par le physicien Jean-Pierre Vigier (le décalage vers le rouge correspond en effet, à intensité de rayonnement égale, à une perte d'énergie). Certains astronomes comme Tom van Flandem s'y rallièrent du fait que cette hypothèse expliquait avec élégance le paradoxe d'Olbers, mais le mouvement resta marginal.