Question centrale

Pourquoi les galaxies semblent-elles s'éloigner plus vite lorsqu'elles sont distantes ?

Matériel requis

• Un ruban élastique d'un diamètre d'au moins 4 cm
• Une règle graduée en centimètres
• Un stylo à bille ou un marqueur à pointe fine
• Un tableau de données ou une feuille de papier pour noter les résultats
• Des ciseaux
• Du ruban adhésif (seulement si vous réalisez l'expérience seul)

Idées principales et notions de base

• Quand vous étirez un élastique, il s'allonge. Au fur et à mesure qu'il s'allonge, chaque marque sur l'élastique (une marque représentant une galaxie) s'éloigne des marques adjacentes dans le sens de l'étirement.
• Chaque marque s'écarte donc des autres marques de deux façons : du fait de son propre étirement et de l'étirement de toutes les autres marques situées entre elle et le point de référence.
• Dans cette expérience, la Voie Lactée est notre point de référence. Nous étirons l'élastique de sorte que la galaxie A s'éloigne d'un centimètre de la Voie Lactée. Au même moment, chacune des galaxies s'écarte d'un centimètre de ses deux galaxies adjacentes. Sur la règle, nous constatons que la distance entre deux galaxies adjacentes augmente d'un à deux centimètres.
• La galaxie B s'éloigne d'un centimètre de plus de la galaxie A. Mais la galaxie B s'est déplacée de deux centimètres de plus au total par rapport à la Voie Lactée. Cela s'explique par le fait qu'elle s'est écartée d'un centimètre de plus de la galaxie A et que la galaxie A s'est elle-même éloignée d'un centimètre de plus de la Voie Lactée.
• Dans l'univers en expansion, les galaxies évoluent de la même façon qu'un élastique qui est étiré. Les galaxies qui se situent loin d'un point de référence s'en éloignent plus vite que les galaxies qui en sont proches.

Conseils sur le déroulement de l'expérience

• Vérifiez que votre élastique est bien souple.
• Pour l'étape 3, faites la première marque à environ un centimètre de l'extrémité de l'élastique. Alignez ensuite cette marque avec le trait du centimètre 1 de la règle. Puis tracez une marque tous les centimètres suivants. Attention à ne pas étirer l'élastique lors de votre marquage.
• Lors de l'étape 6, assurez-vous que les élèves calent bien la marque de la Voie Lactée à l'extrémité de la règle et que la marque de la galaxie A se trouve sur la ligne des deux centimètres.
• Pendant l'étape 6, veillez à ce que les élèves remarquent que la distance entre deux galaxies, quelles qu'elles soient, est de deux centimètres.
• Demandez ensuite aux élèves d'étirer l'élastique plusieurs fois tout en gardant la marque de la Voie Lactée calée à l'extrémité de la règle. Lors du premier étirement, ils doivent observer le déplacement de la galaxie A. Lors de l'étirement suivant, demandez-leur cette fois-ci d'observer une galaxie un peu plus distante, la E ou la F par exemple ; ils doivent remarquer qu'elles s'éloignent davantage pendant le même temps d'étirement. Ces deux exercices permettront aux élèves de faire des observations dynamiques qui les aideront à comprendre le travail de Hubble.
• Si vous disposez d'un tableur les élèves peuvent saisir leurs données dans une feuille de calcul et tracer un graphique.

Discussion

1. Comment les distances entre les marques ont-elles augmenté avec l'étirement de l'élastique ? (Pendant l'étirement, chaque marque s'est éloignée des autres marques. La distance entre les galaxies adjacentes est à chaque fois restée à peu près la même.)

2. Les distances entre les marques ont-elles augmenté à la même vitesse ? Expliquez comment. (Les distances entre les marques adjacentes ont augmenté à la même vitesse. Cependant, la distance qui sépare la Voie Lactée (le point de référence) d'une marque plus éloignée s'est accentuée plus rapidement. En effet, il faut ici prendre en compte la distance supplémentaire étirée par chacune des galaxies.)

3. Que pensez-vous qu'il se passerait si vous placez la galaxie B à la place de la Voie Lactée, à l'extrémité de la règle ? (Quelle que soit la galaxie qui représente le point de référence, les distances entre les galaxies s'accentueront avec l'étirement de l'élastique. Les galaxies les plus distantes du point de référence s'en éloignent plus rapidement que les galaxies les plus proches.)

4. En quoi cette expérience est-elle liée à la vie réelle ? (Orientez la discussion des élèves vers les galaxies dans l'espace. Lorsque l'Univers est en expansion, les galaxies semblent s'éloigner les unes des autres. Les galaxies les plus lointaines semblent se déplacer plus rapidement. )

Remarque : Les élèves peuvent tenter une autre expérience qui consiste à s'allonger côte à côte et à accroître la distance qui les sépare d'une largeur d'un bras. Si vous demandez à un élève de rester immobile pendant que les autres s'installent, les élèves les plus éloignés s'apercevront qu'ils doivent parcourir une plus grande distance que ceux installés près de l'élève immobile. S'ils disposent de peu de temps pour s'installer à leurs places, les élèves éloignés devront se déplacer bien plus vite que les autres. Si vous recommencez l'expérience avec un élève à la place de l'élève immobile, le résultat sera identique. Dans une fanfare, la même chose se produit à peu près. Vous pouvez même impliquer toute la classe dans cette expérience, en plaçant un élève au centre à partir duquel plusieurs files d'élèves partent en rayons. Cette activité leur permettra d'avoir une approche bidimensionnelle qui changera de la représentation unidimensionnelle de l'élastique.

Les mécanismes d'extension de type ciseaux sont un autre exemple qui illustre la découverte de Hubble. (Voir par exemple http://www.tescohilift.com/Spec%20ML%205-21.htm). Dans cet exemple de bras d'extension, vu de la base, la partie la plus haute des bras s'éloigne plus rapidement que les parties intermédiaires.

Evaluation

Les élèves sont-ils capables d'expliquer pourquoi les galaxies s'éloignent plus vite lorsqu'elles sont loin ? (L'Univers s'élargit comme un élastique qui est étiré. Les galaxies distantes s'éloignent de la même manière que les marques sur l'élastique lorsqu'il est étiré. Les galaxies s'écartant les unes des autres, celles les plus lointaines disposent du même temps pour parcourir une plus grande distance. Cela se traduit par une vitesse apparente plus rapide pour ces galaxies.)

Variantes et autres études

• Demandez aux élèves de renouveler l'expérience avec cette fois-ci
  : – des élastiques de taille et de forme variées;
  – des marques à des distances différentes ;
  – des étirements plus fort ou moins fort ;
  – des étirements plus rapides ou moins rapides ;

• Avant que les élèves ne se lancent dans ces nouvelles expériences, demandez-leur de deviner le résultat de chacune d'entre elles et d'expliquer leurs réponses. Ils devront ensuite comparer leurs estimations avec les résultats obtenus et argumenter les écarts éventuels constatés.

Métiers concernés

• Carrières en astronomie et dans le domaine spatial
• Etude des caractéristiques d'extension et de rétrécissement des tissus dans l'industrie textile
• Etudes des styles architecturaux de revêtement des bâtiments devant tenir compte des phénomènes de dilatation et de rétrécissement
• Mouvements des bras d'extension, tout particulièrement ceux de type ciseaux ou télescopiques
• Déplacement en formation, comme les fanfares, dans lesquelles la distance entre chaque membre s'accentue

Corrélations avec les standards éducatifs anglo-saxons

Etats-Unis : Cet exercice relève de certaines parties de la norme NSES Content Standard A, Science as Inquiry et Content Standard G, History and Nature of Science, Grades 5-8 et 9-12 ainsi que des normes suivantes :

Grades 5-8
Standard B - Sciences physiques : B2

Grades 9-12
Standard B - Sciences physiques : B4, D4

Britain: Cet exercice relève de la norme anglaise relative à l'enseignement Sc1, Science Enquiry ainsi qu'aux normes suivantes :

KS4, Sc4, 4d

Glossaire/vocabulaire

Galaxie
L'univers
Constante de Hubble

Liens

The Expanding Universe from " HyperPhysics***** Astrophysics "

Ce site explique l'expansion de l'Univers à partir d'un cake aux raisins.

Foundations of Modern Cosmology

Un des liens de ce site propose une démonstration utilisant une sphère grossissante exactement comme notre élastique.
Voir également le lien suivant Expansion: A 2D Spherical Example

Hubble Flow: The Expanding Universe from "Windows to the Universe"

Ce site contient trois niveaux d'informations sur l'expansion de l'Univers. Le lien qui vous est ici proposé vous renvoie au niveau élémentaire. Pour accéder aux niveaux intermédiaire et avancé, cliquez sur Intermediate et Advanced, en haut de la page.

The Expanding Universe from Mullard Space Science Laboratory

Vous trouverez sur ce site une animation montrant comment les galaxies s'éloignent les unes des autres avec l'expansion de l'Univers.

Cosmology from "The World Almanac for Kids"

Ce site propose une excellente présentation de la cosmologie.

NASA's The Universe

Ce site de la NASA informe à deux niveaux différents et propose plusieurs domaines liés à l'espace à explorer.