Toute notre compréhension de l'univers est basée sur la connaissance des distances aux autres galaxies, pourtant, cette question apparemment simple s'avère extrêmement difficile à répondre. La meilleure réponse est venue il y a plus de 100 ans d'une astronome qui était pour la plupart méconnue à son époque - et aujourd'hui, un autre astronome a utilisé les données Sloan Digital Sky Survey (SDSS) pour rendre ces mesures de distance plus précises que jamais.

"C'est fascinant de travailler avec des stars aussi importantes sur le plan historique, " dit Kate Hartman, un étudiant de premier cycle du Pomona College qui a annoncé les résultats lors de la réunion d'aujourd'hui de l'American Astronomical Society (AAS) à National Harbor, Maryland. Hartman a étudié les "variables des céphéides, " un type d'étoile qui entre et sort périodiquement, variation de luminosité au cours de quelques jours ou semaines.

Le motif a été remarqué pour la première fois en 1784 dans la constellation de Céphée dans le ciel du nord, ces étoiles sont donc devenues connues sous le nom de "variables céphéides". Les variables céphéides sont passées d'intéressantes à totalement indispensables au début des années 1900 grâce aux travaux de l'astronome Henrietta Leavitt. Les contributions de Leavitt ont été largement ignorées pour une raison simple :elle était une femme à une époque où les femmes n'étaient pas prises au sérieux en tant qu'astronomes.

En réalité, lorsque Leavitt a été embauché pour la première fois par l'observatoire du Harvard College en 1895, elle a été embauchée comme « ordinateur » - un terme qui signifiait quelque chose de complètement différent de ce qu'il signifie aujourd'hui. Avant les ordinateurs modernes ou même les calculatrices de poche, un « ordinateur » était une personne embauchée pour effectuer des calculs complexes dans son esprit, assisté uniquement par un crayon et du papier. Même si le travail était exigeant, cela n'a pas été pris au sérieux par les scientifiques professionnels masculins de l'époque - c'était considéré comme un travail par cœur ne nécessitant pas d'intelligence ou de perspicacité qui pouvait être fait par n'importe qui, même une femme.

Ainsi, en 1908, lorsque Leavitt découvrit une relation entre la luminosité (ou "luminosité") d'une étoile variable céphéide et le temps qu'il lui fallut pour traverser un cycle complet de changement (sa "période"), son travail n'a pas été immédiatement reconnu pour son importance. Il a fallu des années pour que la communauté astronomique majoritairement masculine se rende compte que cette relation (aujourd'hui connue sous le nom de "loi de Leavitt") signifie que la mesure de la période d'une variable céphéide donne immédiatement sa véritable luminosité - et de plus, que comparer cela à son éclat apparent donne immédiatement sa distance.

Malheureusement, ce n'est qu'après la mort de Leavitt des suites d'un cancer à l'âge de 53 ans que les astronomes ont réalisé qu'elle avait trouvé la clé pour débloquer les distances de ces étoiles partout, que ce soit dans notre Voie lactée ou dans une galaxie de l'univers lointain.

En utilisant la relation période-luminosité découverte par Leavitt, d'autres ont ensuite calculé les distances aux variables céphéides dans les galaxies en dehors de notre propre Voie lactée. Ce faisant, ils ont découvert que notre univers est en expansion, à partir d'un seul point il y a plus de 14 milliards d'années au Big Bang, une découverte qui n'aurait jamais été possible sans la découverte de la loi de Leavitt.

Plus d'un siècle plus tard, des astronomes comme Hartman poursuivent les travaux de Leavitt. Son annonce est le résultat d'un projet de recherche d'été de dix semaines aux observatoires Carnegie. Hartman a travaillé en étroite collaboration avec son conseiller de recherche, Rachel Beaton, un boursier Hubble et Carnegie-Princeton maintenant basé à l'Université de Princeton.

L'outil que Hartman et Beaton utilisent pour améliorer notre connaissance des variables Cepheid est Apache Point Galactic Evolution Experiment (APOGEE) de Sloan Digital Sky Survey, qui cartographie systématiquement les compositions chimiques et les mouvements des étoiles dans toutes les composantes de notre galaxie.

Comme l'explique Beaton, "L'enquête APOGEE est optimisée pour étudier le froid, vieilles étoiles de type géant trouvées partout dans notre galaxie. Et tandis que les variables Cepheid sont plus jeunes et plus grandes, ils sont similaires en température, ils sont donc bien adaptés à APOGEE."

Le fait que les variables Céphéides apparaissent dans l'enquête APOGEE offre une excellente opportunité de calibrer la loi de Leavitt, mais offre également un avantage majeur :il permet aux astronomes de cartographier les jeunes étoiles de la même manière qu'ils cartographient les anciennes étoiles géantes. La cartographie de ces deux types d'étoiles permet aux astronomes de connecter des structures de l'ancienne galaxie à des composants plus récemment formés. De cette façon, Les variables des céphéides peuvent offrir un aperçu considérable de la structure de notre galaxie, mais un tel aperçu s'accompagne de complications.

La propriété même de ces étoiles qui a permis à Henrietta Leavitt de découvrir la loi de Leavitt – leurs variations prévisibles de luminosité – crée des défis pour APOGEE. "Sur un cycle de pulsation d'une variable céphéide, les propriétés de l'étoile changent, " dit Beaton. " Sa température, gravité de surface, et les propriétés atmosphériques peuvent varier considérablement sur une période assez courte. Alors, comment APOGEE peut-il les mesurer correctement ? J'ai pensé que ce serait un excellent projet de recherche d'été pour le découvrir."

Le premier cycle à relever le défi était Kate Hartman du Pomona College à Claremont, Californie. Hartman a pu démontrer qu'il est possible d'obtenir des mesures cohérentes de la composition chimique des variables céphéides, quel que soit le moment de leur cycle, ils ont été observés par APOGEE.

Hartman explique, "J'ai dû examiner plusieurs spectres de la même variable céphéide et mesurer la quantité d'éléments différents dans l'étoile. Lorsque nous avons examiné le spectre d'une étoile sur l'ensemble de son cycle de pulsation, nous n'avons trouvé aucune différence significative dans les résultats. Cela signifie que nous obtenons des résultats fiables à chaque fois que nous regardons. »

Sachant qu'APOGEE peut mesurer de manière fiable les variables des céphéides est particulièrement important, Hartman explique, car c'est le premier sondage à en voir autant, si régulièrement, et dans tant d'endroits. Parce qu'APOGEE fonctionne maintenant simultanément avec des instruments jumeaux sur des télescopes dans les hémisphères nord et sud, il peut voir toute la galaxie, ainsi que nos voisins le Grand et le Petit Nuage de Magellan. Cela signifie que les céphéides peuvent être observées dans des environnements chimiques très différents, en utilisant le même instrument et le même processus d'analyse des données à chaque fois.

À la suite des découvertes de Hartman, des observations APOGEE supplémentaires de variables céphéides sont maintenant bien avancées. Jen Sobeck de l'Université de Washington, Chef de projet APOGEE, explique, "l'enquête observera les céphéides les plus proches et les mieux étudiées avec des observations plusieurs fois par mois, ciblera les Céphéides dans le Grand et le Petit Nuage de Magellan en janvier, et prévoit de cibler à terme toutes les Céphéides dans toutes les parties du ciel que nous observons. Ces observations sont un ajout important à la carte APOGEE de la galaxie."

Avec des distances directes des parallaxes trigonométriques à un milliard d'étoiles dans notre galaxie bientôt de la mission Gaia de l'ESA, la spectroscopie APOGEE est la dernière pièce du puzzle pour compléter le travail commencé par Henrietta Leavitt en 1908 et fournir un étalonnage précis de la loi de Leavitt dans toutes les étoiles variables céphéides. Et le prochain Sloan Digital Sky Survey V fournira des données encore meilleures. Avec tous ces nouveaux outils à leur disposition, les astronomes pourront suivre le travail d'astronomes comme Leavitt - et Hartman - pour les générations à venir.