Le Grand Débat de 1920 : comment il a changé l’astronomie
En 1920, l’Académie fut le théâtre de ce qu’on a appelé le « Grand Débat » à l’échelle de l’univers. Le débat a eu lieu sous les auspices de la série de conférences George Ellery Hale et consistait en deux conférences prononcées lors de la session scientifique du lundi après-midi de la réunion annuelle de l’Académie en 1920.Sur quoi portait le débat Curtis-Shapley de 1920 et comment a-t-il changé l’astronomie ?
En 1920, les astronomes Harlow Shapley et Heber Curtis se sont réunis pour participer au Grand Débat sur l’échelle de l’Univers. Mais en fin de compte, de quoi parlait le Grand Débat de l’astronomie, et comment a-t-il changé notre façon de voir l’Univers ?
Harlow Shapley, un journaliste de 34 ans devenu astronome, devait être nerveux lorsqu’il monta sur la scène de l’auditorium Baird du Smithsonian Museum of Natural History à Washington, DC, le 26 avril 1920. En face de lui se trouvait une foule de collègues scientifiques et profanes.
Sur scène après Shapley serait son adversaire dans le Grand Débat, l’éminent astronome Heber Curtis – un homme de 13 ans son aîné, plus expérimenté et éloquent à l’oral, et qui n’était pas d’accord avec Shapley sur à peu près tout.
Qui a participé au Grand Débat ?
Harlow Shapley (1885–1972) est né près de Nashville, dans le Missouri, et a commencé comme journaliste spécialisé dans la criminalité dans un journal local. En 1907, il voulait étudier le journalisme à l’Université du Missouri, mais le cours avait été reporté et il choisit plutôt l’astronomie. Il a ensuite été embauché par George Ellery Hale à l’observatoire du mont Wilson et, en 1921, il est devenu directeur de l’observatoire du Harvard College, poste qu’il a occupé jusqu’à sa retraite en 1952.
Héber Curtis (1872-1942) a obtenu un diplôme en astronomie de l’Université de Virginie et est allé à l’observatoire de Lick en 1902 pour étudier les nébuleuses en spirale avec le réflecteur Crossley de 36 pouces. En 1920, il est nommé directeur de l’observatoire Allegheny à Pittsburgh ; 10 ans plus tard, il prend la direction des observatoires de l’Université du Michigan à Ann Arbor. Curtis a été membre de 11 expéditions d’éclipse entre 1900 et 1932.
Comment est né le Grand Débat de l’astronomie ?
Il y a un siècle, on ne savait pas grand-chose de notre Univers. L’expansion de l’Univers n’avait pas encore été découverte – bien qu’une poignée de nébuleuses spirales aient vu leurs vitesses de récession étrangement élevées mesurées.
Il n’était pas question de Big Bang. La nouvelle théorie de la gravité d’Albert Einstein venait tout juste d’être confirmée par la détection de la courbure de la lumière des étoiles par le Soleil lors d’une éclipse solaire totale en mai 1919 – mais Curtis (lui-même passionné d’éclipse) ne croyait toujours pas à la relativité générale.
De plus, personne ne connaissait la taille et la structure de notre Voie lactée. C’étaient les tout premiers jours de la cosmologie.
Heber Curtis, qui était devenu directeur de l’observatoire Allegheny à Pittsburgh, en Pennsylvanie en 1920, était convaincu que la galaxie de la Voie lactée mesurait environ 30 000 années-lumière et que le Soleil était situé près de son centre.
Ce point de vue a également été fortement défendu par son célèbre collègue néerlandais Jacobus Kapteyn, sur la base d’un décompte méticuleux des étoiles.
Et suivant les traces du philosophe allemand du XVIIIe siècle Immanuel Kant, Curtis pensait que de nombreuses nébuleuses étaient des « univers insulaires » – des collections extrêmement éloignées de milliards d’étoiles, comparables à notre galaxie natale.
En revanche, Shapley a fait valoir que les observations d’amas globulaires indiquaient un diamètre beaucoup plus grand de la Voie lactée de 300 000 années-lumière, avec le Soleil plus ou moins à la périphérie.
Si tel est le cas, il a déclaré à son auditoire de Washington : « Les nébuleuses spirales peuvent difficilement être des systèmes galactiques comparables ».
Compte tenu de leurs petites tailles apparentes dans le ciel, elles auraient dû être extrêmement éloignées, contredisant un certain nombre d’observations disponibles à l’époque.
Encore une fois, Shapley a été assez prudent pour déclarer qu' »en raison de l’activité croissante dans le champ nébulaire, … il est professionnellement et scientifiquement imprudent d’adopter une opinion très positive sur la question en ce moment ».
Réunir les deux astronomes dans un débat public était l’idée de George Ellery Hale, le fondateur et directeur de l’Observatoire du Mont Wilson.
Hale a convaincu Charles Abbot, le secrétaire à l’intérieur de l’Académie nationale des sciences, d’organiser l’événement de 1920.
Les deux orateurs ont eu 40 minutes à tour de rôle pour décrire leurs points de vue, après quoi il y a eu du temps pour une discussion animée par l’astronome de Princeton Henry Norris Russell.
Ce n’est que dans leurs publications de 1921 que Shapley et Curtis ont vraiment répondu aux arguments de l’autre.Shapley a présenté un compte rendu de niveau populaire des mesures de distance dans l’Univers et a passé beaucoup de temps sur les observations d’amas globulaires, comme le grand amas globulaire, M13, dans la constellation d’Hercule, le héros.
En utilisant des étoiles variables céphéides – qui ont des luminosités fluctuantes liées à la luminosité des étoiles, permettant aux astronomes de les utiliser pour mesurer la distance dans l’espace – il a déduit que les amas se trouvaient jusqu’à 200 000 années-lumière.
Compte tenu de leur distribution dans le ciel, a soutenu Shapley, ils appartenaient définitivement à la galaxie de la Voie lactée, et « il semble donc y avoir de bonnes raisons de croire que les régions peuplées d’étoiles du système galactique s’étendent au moins jusqu’à la galaxie globulaire groupes. »
La nébuleuse spirale pourrait-elle être des galaxies lointaines ?
Si les nébuleuses spirales sont d’énormes collections d’étoiles comparables à notre galaxie de la Voie lactée, elles devraient être à des dizaines de millions d’années-lumière, et bon nombre des « nouvelles étoiles » (novae) de ces nébuleuses – y compris celle qui a été vue dans la « nébuleuse d’Andromède » (Galaxie) en 1885 – serait beaucoup plus lumineuse que les novae galactiques typiques.
De plus, Adriaan van Maanen, collègue et ami proche de Shapley à Mount Wilson, né aux Pays-Bas mais ayant déménagé aux États-Unis en 1911, avait mesuré les mouvements de rotation dans au moins trois nébuleuses spirales : M33, M81 et M101.
Si ces nébuleuses étaient vraiment énormes et éloignées, elles devaient tourner beaucoup plus vite que la vitesse de la lumière pour que ces mouvements soient discernables.
Mais contrairement à ce que vous lirez dans la plupart des récits du Grand Débat, Shapley ne croyait pas que les nébuleuses spirales se trouvaient à l’intérieur de notre Voie Lactée.
Relativement proches, oui, mais, comme il l’a dit, « Pas membres de notre système galactique… Je préfère croire qu’ils ne sont pas du tout composés d’étoiles mais qu’ils sont de véritables objets nébuleux. »
Les novae observées seraient des explosions d’étoiles dépassées et englouties par les nébuleuses ; les vitesses de récession élevées seraient dues à une mystérieuse force répulsive exercée par la Voie lactée.
Quelle est la taille de l’univers ?
Curtis, qui a utilisé des diapositives dactylographiées pour soutenir son discours beaucoup plus technique, n’a pas acheté les arguments de l’amas globulaire de Shapley et s’est accroché à la croyance vieille de plusieurs décennies d’une Voie lactée relativement petite, plus ou moins centrée sur le Soleil.
Si la « nébuleuse d’Andromède » était une galaxie de taille similaire, elle se trouverait alors à environ 500 000 années-lumière – ce qui n’est pas inimaginable, bien que Curtis se soit rendu compte que les plus faibles devraient être à des distances de l’ordre de cent millions d’années-lumière.
Dans son article de 1921, Curtis a contesté l’idée que la répulsion galactique soit responsable des vitesses de récession élevées (« Nous ne connaissons aucune force adéquate pour produire une telle répulsion », écrit-il).
Quant à la luminosité des explosions stellaires dans les nébuleuses spirales – ce qui lui posait moins de problèmes, puisqu’il croyait que les galaxies étaient 10 fois plus petites que les 300 000 années-lumière de Shapley et donc plus proches – Curtis écrivait avec prévoyance : « Une division en deux classes de magnitude n’est pas impossible. »
En effet, on sait désormais que la plupart d’entre elles sont des supernovæ, qui sont, en moyenne, dix mille fois plus lumineuses que les novae régulières.
Mais qu’en est-il des mouvements de rotation des nébuleuses spirales mesurés par van Maanen ? Eh bien, Curtis croyait à juste titre qu’ils étaient erronés.
« Je considère la détermination fiable du mouvement [de rotation] […] impossible par les méthodes actuelles sans un intervalle de temps beaucoup plus long que celui actuellement disponible », a-t-il écrit, notant que si les observations de van Maanen étaient confirmées sur « … le dans le prochain quart de siècle […], il semblerait que la théorie de l’univers insulaire doive être définitivement abandonnée. »
Personne ne sait ce que van Maanen a fait de mal – c’était un observateur méticuleux – mais nous savons maintenant qu’il n’a jamais pu détecter de véritables mouvements propres dans les galaxies externes.
Curtis a également expliqué pourquoi les nébuleuses spirales n’ont été trouvées qu’à des latitudes galactiques élevées – loin de la bande de la Voie lactée dans le ciel.
« Beaucoup de spirales sur les bords montrent des anneaux périphériques de matière occultante », a-t-il expliqué.
« Si notre galaxie, elle-même une spirale selon la théorie de l’univers insulaire, possède un tel anneau périphérique de matière occultante, cela effacerait les spirales distantes de notre plan galactique et expliquerait la distribution apparente particulière des spirales. »
Parfait, comme nous le savons maintenant.
Ironiquement, Curtis ne s’est pas rendu compte que la « matière occultante » dans notre Galaxie est aussi la raison pour laquelle nous avons l’impression de vivre près du centre d’une collection d’étoiles relativement petite, en forme de disque.
Aujourd’hui, les astronomes réalisent que la galaxie de la Voie lactée de Shapley était plus de deux fois et demie trop grande, tandis que la version de Curtis était environ quatre fois trop petite et que la galaxie d’Andromède est en fait à 2,5 millions d’années-lumière.
Mais alors que Curtis supposait correctement que les nébuleuses spirales étaient des galaxies individuelles, Shapley avait raison sur la distribution tridimensionnelle étendue des amas globulaires et la position décentrée de notre Soleil dans la Voie lactée.
Comme l’a dit un jour l’historienne de l’astronomie Virgina Trimble : « Shapley et Curtis possédaient chacun des portions du bon éléphant.
De plus, il est intéressant de noter que Shapley n’a pas complètement écarté l’existence de galaxies externes.
« Même si les spirales échouent en tant que systèmes galactiques », écrivait-il dans son article de mai 1921, « il peut y avoir ailleurs dans l’espace des systèmes stellaires égaux ou supérieurs au nôtre – encore non reconnus et peut-être bien au-delà de la puissance des dispositifs optiques existants et des mesures préréglées. Balance. »
Qui a remporté le Grand Débat ?
En 1921, Harlow Shapley croyait encore que les nébuleuses spirales étaient des tourbillons de gaz dans l’espace. Mais peu de temps après, son collègue de Mount Wilson, Edwin Hubble, a réussi à photographier des étoiles individuelles dans la « nébuleuse d’Andromède » (Galaxy), M31.
En octobre 1923, Hubble découvrit même une étoile variable Céphéide dans les parties extérieures de la nébuleuse. La véritable luminosité d’une céphéide est liée à sa période de variabilité, et il est devenu immédiatement évident que la galaxie d’Andromède devait se situer bien au-delà de notre Voie lactée.
Au début de 1924, Hubble écrivit une lettre à Shapley (qui avait alors déménagé à l’observatoire du Harvard College), disant : « Vous serez intéressé d’apprendre que j’ai trouvé une variable céphéide dans la nébuleuse d’Andromède (M31). […] Vous trouverez ci-joint une copie de la courbe de lumière, qui, aussi grossière soit-elle, montre les caractéristiques céphéides d’une manière indubitable. »
Selon Cecilia Payne, la première doctorante en astronomie de Harvard, qui se trouvait dans le bureau de Shapley lorsque la lettre est arrivée, il lui a dit : « Voici la lettre qui a détruit mon univers. »
Heber Curtis a réagi moins dramatiquement, bien sûr. « J’ai toujours soutenu cette opinion [que les spirales sont des galaxies séparées], et les récents résultats de Hubble sur les variables dans les spirales semblent rendre la théorie doublement certaine. »
Edwin Hubble avait résolu une fois pour toutes la question centrale du Grand Débat.
Suite du grand débat
Moins de trois ans plus tard, la question a été réglée et le grand débat Shapley-Curtis est devenu presque oublié- il n’a même pas été mentionné dans une nécrologie de Curtis, écrite après sa mort en 1942.
Ce n’est qu’en 1960 que le directeur de l’Observatoire national de radioastronomie, Otto Struve, l’a décrit comme « un débat historique », après quoi l’événement a été de plus en plus couvert dans les livres d’histoire de l’astronomie.
Cent ans après les publications marquantes, le Grand Débat est maintenant un beau rappel de l’énorme croissance de nos connaissances au cours du siècle dernier et un témoignage de la valeur de l’argumentation scientifique.
Ce serait cependant une injustice d’attribuer l’équivoque de Shapley à la réunion de Washington uniquement à l’inquiétude de ce que pourraient penser les observateurs de Harvard. Sa correspondance avant et après la réunion montre une réticence raisonnable à adopter une position ferme sur des preuves peu solides.
Débat Shapley-Curtis
https://www.skyatnightmagazine.com/space-science/great-debate-1920-curtis-shapley-astronomy/
https://history.aip.org/exhibits/cosmology/ideas/great-debate.htm