La nouvelle image de Neptune du télescope est magnifique. Mais peut-être que la photographie la plus étonnante qu’elle ait produite jusqu’à présent est l’une des moins dramatiques

Le télescope spatial James Webb vient de produire une autre image étonnante : la planète Neptune, scintillante comme une boule à facettes, alors que ses anneaux et ses lunes dansent autour d’elle. Le télescope le plus récent, le meilleur et le plus cher de l’humanité nous a ébloui à maintes reprises au cours de ses premiers mois de fonctionnement, et continuera de le faire pendant encore quelques décennies. Mais l’image la plus étonnante qu’il ait produite jusqu’à présent est peut-être l’une des moins dramatiques : la première de ses photographies jamais publiée. Je soupçonne que beaucoup d’entre nous ne comprennent toujours pas à quel point cette image est étonnante et pourquoi. Je vais essayer d’expliquer les deux.

Comment voir la lumière depuis la nuit des temps

J’ai passé la dernière décennie à rechercher un livre qui redécrit l’univers. Oui, tout ça. (Oui, j’ai mal à la tête.)

Et quelque chose que j’ai lentement réalisé, c’est que la plupart des non-scientifiques ne comprennent pas vraiment ce genre de choses, même s’ils pensent le faire.

Une autre chose que j’ai réalisée est que la plupart des scientifiques ne comprennent pas à distance à quel point la plupart des non-scientifiques le comprennent, de sorte que les explications des scientifiques sur ces choses sont largement inutiles.

C’est vraiment dommage, car si vous ne comprenez pas ce qu’est le décalage vers le rouge, ou l’étonnante difficulté technique d’observer la lumière infrarouge (qui est essentiellement de la chaleur) depuis la surface d’une planète chaude comme la Terre, alors vous ne pouvez pas vraiment apprécier un image telle que la toute première photo révélée par le télescope James Webb, d’innombrables galaxies, devenant de plus en plus petites, de plus en plus rouges et de plus en plus âgées à mesure qu’elles se rapprochaient de plus en plus du big bang. Comme mes parents l’ont dit, quand on en a parlé après : « On les a vus, mais on ne sait pas ce qu’on regarde.

Mais si vous comprenez quelques notions sur la lumière, l’espace et le temps, cette image vous épatera.

Envoi de photos de l’univers primitif… Attendez, quoi ?

Cette image est une image de l’univers primitif. Les scientifiques n’arrêtent pas de dire cela – ils l’ont répété encore et encore le jour où ils ont révélé l’image – mais ils connaissent tellement l’idée qu’ils la déballent rarement complètement. Envoi de photos de l’univers primitif. C’est une réalisation si étonnante, si cruciale pour apprécier cette première photo de James Webb, et si difficile à saisir pleinement, que nous devrions certainement la déballer beaucoup plus.

Emporté sans cesse dans le passé

Les télescopes captent la lumière. La lumière voyage en petits paquets appelés photons qui se comportent terriblement comme des ondes. Certaines de ces ondes sont beaucoup plus longues que d’autres, mais elles se déplacent toutes exactement à la même vitesse. Bon, maintenant oubliez tout ça. Voici ce qui compte…

Parce que rien ne peut voyager plus vite que la vitesse de la lumière – pas même, euh, la lumière – tous les télescopes regardent toujours vers le passé.

Si vous ne faites que regarder autour de nous, c’est-à-dire tous les endroits où les humains sont allés, ce n’est pas grave. La lumière parcourt 300 000 km par seconde et la Terre n’est qu’à 40 000 km, vous pouvez donc voir presque tout sur Terre en temps réel (même si vous devez faire rebondir le signal sur un satellite).

Même la lumière de la lune, à environ 385 000 km, arrive ici en moins d’une seconde.

Mais la lumière de notre soleil prend huit minutes pour arriver ici.

La lumière de la prochaine étoile la plus proche (Proxima Centauri – une petite étoile absolument nulle, malheureusement) mettra quatre ans à arriver ici.

Notre galaxie est une spirale complexe et tourbillonnante contenant cent milliards d’étoiles, et la lumière de l’autre côté met 100 000 ans pour arriver jusqu’ici. (En d’autres termes, notre galaxie mesure 1 000 000 000 000 000 000 km de diamètre : toute lumière nous atteignant de l’autre côté a commencé avant la dernière période glaciaire.)

La lumière de la prochaine galaxie spirale la plus proche, Andromède, a commencé son voyage peu de temps après que nos ancêtres en Afrique ont commencé à utiliser des outils en pierre, il y a 2,5 millions d’années.

Et le bord de l’univers visible est environ 20 000 fois plus éloigné que cela.

Ainsi, la lumière de l’univers primitif arrive encore sur Terre aujourd’hui, après un voyage incroyablement long.

Mais regarder des choses plus éloignées ne consiste pas simplement à construire un plus grand télescope pour les grossir et les voir. La lumière visible de l’univers primitif – la lumière dans la gamme de fréquences que les yeux humains peuvent détecter – n’est plus visible pour les yeux humains au moment où elle arrive ici. Pourquoi?

Parce que, à mesure que vous regardez de plus en plus loin (et si loin dans le temps), quelque chose d’autre commence à devenir significatif : toute la lumière que vous voyez n’est pas seulement plus faible mais aussi plus rouge, à mesure que sa longueur d’onde s’allonge et s’allonge. Autrement dit, il n’y a pas seulement moins de lumière, mais cette lumière a moins d’énergie.

Pour comprendre ce qui se passe ici, il pourrait être utile d’avoir un petit aparté sur la lumière.

Un petit aparté sur la lumière

N’oubliez pas que les humains peuvent voir la lumière dans une gamme de longueurs d’onde étonnamment étroite – de 0,4 à 0,7 nanomètres. Donc, d’un peu moins d’un demi-milliardième de mètre à un peu plus de deux tiers de milliardième de mètre. (Pourquoi avons-nous évolué pour détecter ces longueurs d’onde particulières ? Parce que c’est la gamme de fréquences dans laquelle notre soleil produit le plus de lumière. Nous sommes les enfants de notre planète particulière, notre soleil particulier.)

En d’autres termes, nous pouvons voir la tranche la plus fine possible d’un spectre potentiel extrêmement large (presque infiniment) qui s’étend dans les deux sens. La lumière existe, à toutes fins utiles, à toutes les longueurs d’onde. La lumière est des millions de fois plus courte que la lumière que vous pouvez voir, et des milliards de fois plus longue.

La lumière avec une longueur d’onde très courte peut traverser la matière solide avec tellement d’énergie que c’est dangereux. C’est ainsi que fonctionnent les rayons X : la lumière vous pénètre directement ; une partie est arrêtée par vos os, et la lumière restante, à mesure qu’elle sort de vous, est ensuite capturée pour faire une image de votre intérieur.

Et si vous pensez que c’est un comportement assez dur pour un faisceau de lumière, les rayons gamma sont mille fois plus courts, et donc plus percutants, que cela. En fait, les rayons gamma peuvent avoir une longueur inférieure à un billionième de mètre : ils sont si courts en longueur d’onde, si compacts, si percutants, si petits qu’ils passent entre les atomes des détecteurs. (Pour détecter les rayons gamma, vous devez utiliser un gros bloc solide d’un cristal dense et espérer qu’ils heurtent quelque chose en chemin.)

En effet, un rayon gamma (le Dracula des photons) n’est pas réfléchi par un miroir, car le rayon gamma est si petit qu’il voit le miroir non pas comme une surface plane mais comme un tas d’atomes, éloignés les uns des autres. Et donc le rayon gamma siffle juste à travers les lacunes.

Autrement dit, il faut mille ondes lumineuses visibles pour traverser la largeur d’un seul cheveu humain. Mais vous pourriez insérer un million d’ondes gamma dans chacune de ces milliers d’ondes lumineuses visibles.

En revanche, la lumière avec une très longue longueur d’onde, comme la lumière que nous appelons les ondes radio, est si faible en énergie qu’elle est totalement inoffensive. Les ondes radio que nous écoutons sur une radio FM mesurent quelques mètres de long ; les ondes radio d’une vieille radio AM craquante peuvent mesurer des centaines de mètres de long.

Le fait est que nous savons depuis 1929 que plus vous regardez en arrière, plus la lumière se comporte bizarrement. La lumière qui devrait être visible à nos yeux, par exemple – la lumière des étoiles comme notre propre soleil – change à mesure que la source s’éloigne. Ses longueurs d’onde diminuent, son énergie chute et il devient de plus en plus difficile à voir, jusqu’à ce qu’il tombe en dessous de la plage de fréquence/énergie que nos yeux peuvent détecter.

Oh, c’est pourquoi ça s’appelle le décalage vers le rouge !

Oui, le processus est appelé décalage vers le rouge car il déplace la lumière visible vers l’extrémité rouge du spectre.

Par exemple, la longueur d’onde de la lumière rouge est environ deux fois plus longue que la longueur d’onde de la lumière bleue, alors étirez les ondes de lumière bleue à deux fois leur longueur d’origine et elles apparaîtront rouges. (En effet, elles seront désormais rouges.) Étirez la lumière rouge et elle deviendra infrarouge : les longueurs d’onde sont maintenant trop longues pour que nos yeux puissent les détecter, nous ne pourrons donc plus du tout voir cette lumière.

Pour comprendre pourquoi cela se produit, vous devez comprendre ce qui est arrivé à l’espace-temps et donc à la lumière qui le traverse depuis le big bang.

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