L'astronomie d'il y a un siècle était bien différente de celle d'aujourd'hui : le ciel était uniquement observé dans les longueurs d'onde visibles, on connaissait seulement les planètes du Système solaire, on pensait que les éléments lourds étaient majoritaires dans le cosmos (et non l'hydrogène) et on ignorait même la source d'énergie des étoiles...

Certes, on commençait à comprendre que certaines nébuleuses visibles au télescope étaient des amas d'étoiles et d'autres du gaz chaud, mais quelques-unes, présentant une structure spirale et dont la liste s'allongeait, restaient mystérieuses. En parallèle, la taille et la forme de notre Galaxie, la Voie lactée, étaient toujours débattues. Pour les estimer, on comptait les étoiles dans les différentes zones du ciel. Par exemple, en supposant une répartition uniforme des astres autour de nous, en voir plus dans une direction impliquait que l'on voyait « plus loin ». Mais, en ce début de XX^e siècle, les choses bougent. L'Américain George Ellery Hale, spécialiste du Soleil et directeur de l'observatoire Yerkes, dans le Wisconsin, puis de celui du mont Wilson, en Californie, décide d'organiser un débat pour confronter les points de vue. Il le fait dans le cadre des lectures sponsorisées par un legs de son père à l'Académie nationale des sciences. Et il propose deux débatteurs : son employé Harlow Shapley et le directeur de l'observatoire Lick - concurrent direct des observatoires de Hale -, William Campbell, vite remplacé par Heber Curtis, son subordonné.

Les Américains Harlow Shapley (1885-1972) et Heber Curtis (1872-1942) ont débattu en 1920 sur la nature de l'Univers. © Science Photo Library / NYPL / Science Source - Bentley Historical Library

Difficile de trouver deux hommes plus différents. Issu d'une famille de la classe moyenne cultivée, Heber Curtis, né en 1872, suit des études de langues classiques à l'université du Michigan. Diplômé en 1893, il devient enseignant, puis tombe sur une lunette astronomique au Napa College, près de San Francisco, où il travaille. La passion de l'astronomie ne le quitte plus : expéditions d'éclipse, doctorat en 1902, puis poste de chercheur à l'observatoire Lick. Son sujet de prédilection ? Les nébuleuses spirales.

Fils de fermier, Harlow Shapley est, lui, né en 1885 dans le Missouri et devient à 16 ans reporter pour le journal local. Entendant parler en 1907 de l'ouverture d'un cursus en journalisme à l'université du Missouri, il décide de suivre ces cours, mais ces derniers ne commencent que l'année suivante. Pour ne pas perdre son temps, il s'inscrit quand même, choisissant - selon la légende qu'il a lui-même façonnée - dans l'annuaire universitaire le premier thème qu'il comprend : l'astronomie. Il y excelle et entame en 1911 une thèse chez un grand de l'astronomie américaine : Henry Norris Russell. Trois ans d'analyses d'éclipses stellaires plus tard, il obtient sa thèse. Il est embauché par Hale pour travailler à l'observatoire du mont Wilson, où il étudie les amas globulaires (*).

En 1920, les deux hommes sont, sans le savoir, à l'apogée de leur carrière de chercheur. La situation de Shapley est la plus délicate. Ayant appris la mort du directeur de l'observatoire de l'université Harvard, il veut le poste, même si Hale et Russell sont effrayés par l'ambition de leur poulain, vu sa jeunesse et son absence d'expérience en management. Le débat, organisé à Washington, constitue une occasion de pousser sa candidature. Mais les augures ne lui sont pas favorables. Curtis est un orateur brillant et un excellent débatteur ; Shapley, à l'époque, pas du tout. Il tente de changer d'adversaire (sans succès), puis de transformer (avec succès) le débat en une suite de deux présentations de quarante minutes chacune. Passant en premier, Shapley obtient que Russell soit présent pour répondre à Curtis lors des questions au public - manoeuvre couronnée de succès, au point que Russell a été envisagé comme troisième auteur des comptes-rendus du débat.

Deux visions contrastées

Si ce Grand Débat du 26 avril 1920 est donc plus une suite de présentations qu'une discussion proprement dite, il permet de confronter deux conceptions de l'Univers, chacune tentant d'expliquer les observations de l'époque. Les notes d'avant-débat, les comptes-rendus qui l'ont suivi, ainsi que les articles des deux hommes permettent d'en saisir les arguments. Pour Shapley, les amas globulaires, qui sont des groupes d'étoiles, font partie intégrante de notre Galaxie et sont répartis tout autour d'elle. Il évalue leur distance grâce à la relation entre la période et la luminosité des étoiles variables baptisées céphéides, découverte en 1912 par Henrietta Leavitt (mais calibrée par lui-même). Cette pionnière de l'astronomie a montré que plus la luminosité intrinsèque des céphéides était grande, plus la période de leurs variations était élevée. Autrement dit, en mesurant leur luminosité apparente et leur période, on peut en déduire la distance de ces étoiles et donc celle des amas qui les contiennent.

Pour des amas plus lointains, Shapley mesure la luminosité apparente des trente étoiles les plus brillantes, élimine les cinq premières (en raison d'une potentielle contamination d'avant-plan) et évalue leur distance grâce à la luminosité connue d'étoiles proches comparables. Il estime les distances des amas les plus éloignés en supposant que tous ont la même taille. Il en déduit que le Soleil se trouve à 60 000 années-lumière du centre galactique et que notre Galaxie a un diamètre de 300 000 années-lumière, soit dix fois plus que ce qui était admis alors ! [Aujourd'hui, on estime que le diamètre du disque galactique est d'environ 100 000 années-lumière, NDLR].

Curtis, lui, soutient les comptages d'étoiles qui suggèrent que notre Galaxie est petite et centrée sur le Soleil. Il prône la prudence : on n'a pas suffisamment de preuves de la relation entre période et luminosité des céphéides, calibrée de surcroît sur très peu d'étoiles, ni de la similitude entre les étoiles d'amas et les étoiles proches. Il se trompe, mais il est vrai que la calibration utilisée par Shapley n'est pas parfaite (elle sera modifiée dans les années 1950 après la séparation de la population stellaire en deux classes, populations I et II : les céphéides proches du Soleil sont en fait plus brillantes que celles situées dans les amas). Il remet aussi en cause le choix de Shapley de considérer les étoiles mesurées comme des géantes brillantes, préférant utiliser des étoiles naines, plus représentatives de la moyenne. Shapley a pourtant raison : celles que l'on voit en premier sont les brillantes et une moyenne est difficile à utiliser si les astres plus faibles des amas sont inaccessibles à l'observation.

Qu'en est-il des nébuleuses spirales ? Curtis sait que le spectre lumineux de ces dernières ressemble à celui d'étoiles blanc-jaune - analogues au Soleil - typiques de notre Voie lactée. Cela le conforte dans l'idée que ce sont d'autres galaxies, analogues à la nôtre. Shapley, lui, assure que la répartition des couleurs et de la brillance de ces objets ne ressemble pas à celle de notre Voie lactée : ce n'est pas faux, mais cela néglige l'effet de rougissement par les poussières interstellaires, responsable de cette différence.

Curtis a aussi bien étudié les novae (*) dans les nébuleuses spirales, ces étoiles qui deviennent brusquement très brillantes pendant quelques jours. En mesurant leur éclat apparent et en le comparant à celui de novae de la Voie lactée, il pense que ces nébuleuses spirales sont à très grandes distances, hors de notre Galaxie. Or, en les plaçant à ces distances et compte tenu de leur extension sur le ciel, ces objets doivent avoir une taille semblable à celle de la Voie lactée, preuve supplémentaire selon lui qu'il s'agit d'autres galaxies.

Shapley lui réplique que certaines novae dans les nébuleuses spirales sont bien plus brillantes, réduisant fortement les distances déduites. Toutefois, Curtis a l'intuition - confirmée par la suite - que ces novae très brillantes sont en réalité une autre classe d'objets, appelés aujourd'hui supernovae et qui n'ont pas grand-chose à voir avec les novae. Il montre aussi que l'idée de son adversaire d'expliquer les novae par la rencontre entre étoile et gaz est incompatible avec leur nombre réellement observé.

Shapley, lui, imagine ces nébuleuses spirales comme petites, proches, et subordonnées à la Voie lactée (ce qui n'empêcherait pas d'avoir d'autres galaxies, non observées, bien plus loin). Le fait que l'on n'observe pas ces nébuleuses dans le plan de notre Galaxie semble montrer un lien avec cette dernière. Il s'appuie aussi sur les résultats de son collègue Adriaan van Maanen, qui pense avoir détecté le mouvement de rotation de certaines spirales, ce qui indique leur proximité. Cependant, Curtis ne croit pas aux mesures rotationnelles de van Maanen, qui se révéleront effectivement erronées. Il explique correctement leur « aversion » pour le plan galactique par un effet d'absorption. Il a en effet observé une zone sombre zébrant le milieu des spirales vues par la tranche et il estime que notre Galaxie doit être elle aussi entourée d'un tel « anneau absorbant ».

Au final, Curtis est brillant, tandis que Shapley, ânonnant timidement ses notes, n'apparaît pas sous son meilleur jour. C'est à Russell que l'on propose la place de directeur de l'observatoire de l'université Harvard, mais... il la refuse, recommandant Shapley. Hale propose alors de lui octroyer un congé sabbatique d'un an, pour voir s'il peut convenir à Harvard. L'expérience sera si féconde que Shapley obtiendra le poste avant même la fin de son congé. Curtis deviendra directeur de l'observatoire Allegheny. Ce travail plus administratif l'éloigne de la recherche pure. Ce débat marque aussi un tournant personnel : Shapley, alors peu connu, va atteindre le firmament de l'astronomie américaine (1) ; Curtis, fort apprécié à l'époque, sombrera peu à peu dans l'oubli.

Un débat clos par Hubble

Le débat ne fait pas vraiment date à son époque, mais il va entrer dans la légende car 1920 lance une décennie révolutionnaire. En 1924, Edwin Hubble utilise les céphéides, avec la calibration de leur relation période-luminosité faite par Shapley, pour déterminer la distance de plusieurs nébuleuses spirales. Le résultat obtenu est si grand que la conclusion est inévitable : il s'agit bien d'autres galaxies. En 1927, le Belge Georges Lemaître puis, plus tard, Edwin Hubble et son assistant Milton Humason montrent que ces objets s'éloignent avec une vitesse proportionnelle à leur distance : l'Univers est en expansion !

En 1930, Robert Julius Trumpler met en évidence la présence d'absorption par le gaz et les poussières du milieu interstellaire : cela explique pourquoi le centre galactique n'est pas visible. Cela change aussi un peu la calibration de Shapley, mais confirme ses résultats : le Soleil est situé en périphérie et non au centre de la Voie lactée, et notre Galaxie est grande et non petite. En fait, lors du débat, chacun avait raison dans son domaine d'expertise. Aujourd'hui, les questions et les controverses restent nombreuses, et c'est tant mieux ! N'est-ce pas la nature même de la recherche ?

Photo : La galaxie NGC 5866 vue par la tranche, avec son disque de gaz et de poussière (image du télescope Hubble) © Nasa / ESA Hubble space telescope