Au cours du XIXᵉ siècle, l’amélioration des outils d’observation du ciel a permis aux astronomes de découvrir un grand nombre d’objets stellaires. Nouvelles planètes, astéroïdes, nébuleuses, l’univers se révèle finalement riche et varié. Cependant, de nombreux objets restent très mystérieux. L’un des grands axes de recherche du début du XXᵉ siècle consiste à cartographier les étoiles du ciel nocturne. Dans ce contexte, une équipe de recherche de Harvard composée en grande majorité de femmes se distinguera. Ainsi, l’astronome états-unienne Henrietta Leavitt observera des milliers d’étoiles variables et mettra au point une nouvelle méthode de mesure des distances dans l’univers.
Harvard, le berceau de la recherche stellaire
Née le 4 juillet 1868 à Lancaster aux USA, Henrietta Leavitt fera partie de la génération de femmes astronomes de l’observatoire de Harvard qui révolutionnera notre compréhension des étoiles. D’abord intéressée par l’étude de la musique à l’Oberlin College, Henrietta s’orientera rapidement vers les sciences. Diplômée de la Society for the Collegiate Instruction of Women en 1892, elle choisira de rester une année supplémentaire pour développer ses connaissances en astronomie.
Après deux années de voyage difficile ponctuées par la maladie, Henrietta est embauchée comme calculatrice volontaire à l’observatoire de Harvard. Comme Annie Cannon et bien d’autres à l’époque, elle rejoint alors l’équipe de recherche d’Edward Pickering. L’un des objectifs principaux de Pickering était de cartographier l’ensemble du ciel en étudiant des plaques photographiques. Un travail long et minutieux qui demande une main-d’œuvre importante. Les femmes astronomes étant alors moins chères et aussi compétentes que les hommes, Edward embauche une équipe quasi exclusivement féminine pour ses études. De plus, les femmes n’ayant généralement pas le droit d’accéder aux télescopes à l’époque, c’était l’un des rares moyens pour réaliser des recherches astronomiques.
Durant près de 30 ans, l’équipe de Pickering découvrira des milliers d’étoiles et de nébuleuses. Dans ce contexte, Henrietta travaillera principalement sur l’étude de la luminosité des étoiles. Un domaine dans lequel elle se montrera rapidement très douée. Elle doit malheureusement quitter l’observatoire pour des raisons personnelles en 1900. Cependant, son talent est tel qu’Edward lui propose un poste d’astronome permanente qu’elle accepte en 1902. Elle passera le reste de sa vie à l’observatoire de Harvard et sera même nommée à la tête du service de photométrie stellaire en 1921. Elle décédera cette même année d’un cancer.
La luminosité des étoiles
Henrietta Leavitt se spécialisa rapidement dans l’étude de la luminosité des étoiles. L’un de ses axes de recherche fut ainsi de mesurer la magnitude des étoiles. La magnitude est une échelle de luminosité logarithmique qui prend comme référence la luminosité de l’étoile Vega. Plus la magnitude d’une étoile est faible, plus elle est lumineuse. Ainsi, Vega a une magnitude de 0 alors que Vénus, l’objet le plus brillant du ciel après la Lune et le Soleil, peut atteindre une magnitude de -5. L’œil humain n’est sensible que jusqu’à la magnitude 6. Au-delà, il est nécessaire d’utiliser des jumelles, un télescope ou une lunette astronomique.
Par ailleurs, ces valeurs correspondent à la magnitude apparente et non à la magnitude absolue. En effet, une étoile peu brillante mais proche de la Terre aura la même luminosité pour un observateur ou une observatrice terrestre qu’une étoile très lumineuse mais très éloignée. Comme la luminosité d’une étoile est intrinsèquement liée à sa taille, il est essentiel de connaître la luminosité réelle d’une étoile pour l’étudier.
Ainsi, en observant les nombreuses plaques photographiques de Harvard, Henrietta remarqua que la luminosité de certaines étoiles variait d’une plaque à l’autre. Il s’agit de céphéides, dont l’une des premières fut découverte en 1784 par John Goodricke dans la constellation de Céphée. Ces étoiles, dites variables, ont une luminosité qui peut varier de 2 magnitudes sur une période allant de 1 à 135 jours. Henrietta découvrira plus de 2 400 céphéides, soit plus de la moitié des étoiles variables connues à l’époque. L’astronome Charles Young la surnommera même la démone des étoiles à cause du rythme effréné de ses découvertes.
Les cépheïdes des nuages de Magellan
En plus d’être des objets particulièrement intrigants pour les astronautes, les céphéides vont se révéler essentielles pour l’étude de notre univers. En effet, la régularité de leurs variations de luminosité s’avère être une clé pour mesurer la magnitude absolue des étoiles. Pour cela, il est nécessaire de connaître à la fois la distance et la magnitude relative d’une étoile variable. C’est en observant les deux nuages de Magellan qu’Henrietta réussira à mettre au point la première relation période-luminosité des céphéides.
Les nuages de Magellan sont des galaxies naines satellites de la Voie Lactée, situés à la périphérie de notre galaxie et observables depuis l’hémisphère sud. Le petit nuage se situe à 197 000 années-lumière (a.l.) alors que le grand nuage se trouve à 157 000 a.l. Plus petit que notre galaxie, le premier contient environ 3 milliards d’étoiles contre plus de 30 milliards pour le second. Si leur distance n’était pas connue au début du XXᵉ siècle, on peut considérer que les étoiles observées dans ces galaxies doivent se situer à des distances relativement similaires. Henrietta découvrira ainsi 1 777 étoiles variables dans les deux nuages de Magellan.
La relation période-luminosité
En collaboration avec Edward Pickering, elle se concentrera particulièrement sur 25 étoiles du petit nuage de Magellan. Il et elle observèrent que plus la magnitude apparente de la céphéide était importante, plus sa période de variation lumineuse était longue (durée entre un maximum de luminosité et un autre). Cette période de variation peut varier de 1 à 135 jours. Leurs recherches menèrent ainsi à la relation période-luminosité des céphéides, nommée par la suite loi de Leavitt.
Cette loi est une des relations les plus importantes de l’astronomie. En effet, une fois calibrée, elle permet de mesurer la distance d’objets très lointains comme les galaxies. Cette calibration fut possible en observant des céphéides dont la distance avait déjà été mesurée en étudiant leur parallaxe. Cette méthode permet de mesurer la distance d’une étoile en l’observant avec six mois d’écart. Sa position par rapport aux autres étoiles aura alors changé et plus l’étoile est proche de nous, plus sa position dans le ciel variera.
Cependant, cette méthode se limite aux étoiles situées à moins de 1 000 a.l. (à moins de 500 a.l. à l’époque). Grâce à la loi de Leavitt calibrée, il est possible de mesurer des distances bien plus lointaines. C’est ainsi qu’Edwin Hubble mesurera la distance d’Andromède en observant des céphéides présentes dans la galaxie. Il trouve ainsi une distance de 900 000 a.l., contre 2,5 millions d’a.l. en réalité. Si la distance est sous-évaluée, elle permet de montrer que cet objet ne peut pas se situer dans la Voie Lactée et qu’il s’agit donc d’une autre galaxie indépendante.
Grandement respecté par la communauté scientifique, le travail d’Henrietta aura également permis de déterminer la constante de Hubble qui permet de mesurer la vitesse d’expansion de l’univers. Son nom fut même cité pour le prix Nobel de physique 1924. Malheureusement, le comité Nobel n’était pas au courant de son décès, le prix ne pouvant être décerné à titre posthume.
SOURCES
- Yaël Nazé (2014) : L’astronomie au féminin
- ETHW : Henrietta Swan Leavitt
- Henrietta S. Leavitt (1908) : 1777 variables in the Magellanic Clouds
- Pickering, E. and Leavitt, H. (1912) : Periods of 25 variable stars in the small Magellanic Cloud
- Biographical Encyclopedia of Astronomers, Leavitt, Henrietta Swan (2007)
- Edwin Hubble (1929) : A spiral nebula as a stellar system, Messier 31.
Laisser un commentaire