The woman whose calculations helped determine the size of the universe

Henrietta Leavitt est née le 4 juillet 1868 à Lancaster, dans le Massachusetts, fille du révérend George Roswell Leavitt et de son épouse, Henrietta Swan Kendrick. Son père était pasteur congrégationaliste. La famille était pieuse et soutenait fermement l’éducation des femmes. Leavitt entra à l’Oberlin College en 1885, puis fut transférée à la Society for the Collegiate Instruction of Women à Cambridge en 1888 (qui devint plus tard le Radcliffe College), où elle étudia la géométrie analytique et le calcul différentiel et intégral, ainsi que les lettres classiques.

Avant tout, Leavitt était mathématicienne, et non astronome. Ce n’est qu’en 1891-1892, lors de sa dernière année d’études, qu’elle suivit son premier cours d’astronomie, dispensé par Arthur Searle, maître de conférences à Harvard, et qu’elle fut tellement captivée par cette discipline qu’elle prolongea d’une année ses études en astronomie. L’année suivante, elle obtint un certificat attestant qu’elle avait accompli suffisamment de travaux pour prétendre à une licence de Harvard, qui n’avait toujours pas commencé à délivrer de diplômes aux femmes. L’astronomie l’avait découverte sur le tard, mais elle retint son attention pour le reste de sa vie.

Après avoir terminé ses études universitaires, Leavitt a passé les années 1892 à 1895 à voyager à travers les États-Unis et l’Europe, mais elle a contracté au cours de ce voyage une maladie grave et persistante qui l’a rendue définitivement sourde. La nature de cette affection reste inconnue. Certaines sources ultérieures émettent l’hypothèse qu’il s’agissait de la scarlatine. Leavitt n’a toutefois pas renoncé à ses activités scientifiques ; elle est au contraire retournée à Cambridge pour se consacrer à des travaux d’astronomie.

En 1895, Leavitt travaillait comme bénévole non rémunéré à l’Observatoire de l’université de Harvard. Le directeur, Edward Charles Pickering, avait constitué une équipe de femmes. Il ne s’agissait toutefois pas de simples employées de bureau. C’étaient des mathématiciennes et des scientifiques qualifiées, appelées « Harvard Computers » par leurs pairs et surnommées familièrement « le harem de Pickering ». Parmi les collègues de Leavitt figuraient Williamina Fleming, Annie Jump Cannon et Antonia Maury. Il embauchait des femmes en partie parce que leur salaire lui permettait de mieux respecter son budget que s’il avait embauché des hommes, mais aussi pour s’adjoindre des esprits analytiques rigoureux afin de l’aider à analyser toutes les données qu’ils accumulaient.

Leavitt est devenue membre du personnel permanent de l’Observatoire du Harvard College en 1902. Elle était payée 30 centimes de l’heure. Selon les règles en vigueur à l’époque, les femmes n’étaient pas autorisées à travailler sur les télescopes la nuit ; elle n’a donc jamais observé à travers un télescope. Elle exerçait son métier pendant la journée à Cambridge, dans le Massachusetts, en examinant des plaques photographiques en verre, prises par les télescopes de la station Boyden de Harvard à Arequipa, au Pérou, et qui avaient été expédiées vers le nord, à Cambridge. Elle passa toute sa carrière à étudier des photographies plutôt que le ciel lui-même.

Pour repérer les quelques étoiles dont la luminosité avait varié parmi les milliers que comptait la plaque, Leavitt a superposé un positif sur verre pris une nuit-là à un négatif sur verre pris une autre nuit. Les étoiles dont la luminosité restait constante s’annulaient mutuellement et disparaissaient de la vue. Les étoiles variables, celles dont la luminosité augmentait et diminuait, apparaissaient alors entourées d’un halo visible. C’était une technique simple, mais elle lui a permis d’analyser manuellement une vaste portion du ciel.

Pickering chargea Leavitt de répertorier les étoiles variables présentes dans le Petit et le Grand Nuage de Magellan, deux galaxies satellites de la Voie lactée visibles depuis l’hémisphère sud et photographiées par les télescopes de Harvard au Pérou. Pendant plusieurs années, de 1908 à 1912, Leavitt utilisa sa méthode de superposition de plaques pour rechercher des étoiles variables au sein de ces nuages. L’observatoire était en train d’établir une échelle standard pour la mesure de la luminosité stellaire. Le travail de Leavitt n’était pas une question de théorie, mais de simple patience : il s’agissait de répertorier des milliers d’étoiles, une plaque à la fois.

L’article publié par Leavitt en 1908 dans les Annales de l’observatoire décrivait en détail 1 777 étoiles variables récemment découvertes dans les deux Nuages de Magellan. À la toute fin figurait une anecdote plus brève, mais d’autant plus étrange. En se concentrant sur seize étoiles pulsantes connues sous le nom de variables céphéides, elle constata que celles qui étaient les plus brillantes étaient également les plus lentes, mettant plus de temps à passer d’une phase d’affaiblissement à une phase de brillance. C’était une observation subtile, mais elle était juste.

Au cours de ces mêmes années, Leavitt a trouvé la solution à son énigme. Toutes les étoiles en question se trouvaient dans le même nuage stellaire, le Petit Nuage de Magellan, ce qui signifiait qu’elles étaient à peu près à la même distance de notre planète. Ainsi, leurs différences de magnitude apparente n’étaient pas dues à des différences de distance. Elles étaient simplement dues à des différences de luminosité. Le facteur de distance avait été éliminé de l’équation, et seule la luminosité réelle subsistait.

Le 3 mars 1912, Harvard publia une circulaire numérotée 173 intitulée « Périodes de 25 étoiles variables dans le Petit Nuage de Magellan ». La première ligne de ce document attribuait clairement le mérite de ce travail : celui-ci « a été préparé par Mlle Leavitt », même si le directeur Edward Pickering y avait apposé son nom, comme à son habitude. Lorsqu’elle reporta la période de pulsation de chaque étoile en fonction de sa luminosité, elle obtint deux lignes nettes et parallèles. En d’autres termes, elle avait démontré que le rythme d’une céphéide permettait de prédire sa véritable luminosité. Leavitt avait créé une règle de mesure, même si elle ignorait la distance correspondant à un seul pas sur celle-ci.

Ejnar Hertzsprung, un astronome danois, a repris la relation établie par Leavitt et l’a traduite en chiffres concrets. En 1913, grâce à une méthode dite de « parallaxe statistique » qui exploitait le mouvement commun des amas d’étoiles pour évaluer la distance, il a déterminé la distance réelle de 13 céphéides situées dans notre galaxie. En appliquant ces valeurs à la loi de Leavitt, Hertzsprung a créé la première échelle de distances, même si ses mesures étaient erronées car les astronomes ne savaient pas encore que la poussière atténuait la lumière des étoiles. Leavitt a fabriqué la règle. Hertzsprung y a inscrit les premières mesures.

L’astronome américain Harlow Shapley, qui devint directeur de l’Observatoire du Harvard College, appliqua la loi de Leavitt à la galaxie. En 1918, il a calculé les distances des amas globulaires d’étoiles présents dans toute la Voie lactée et a conclu que la galaxie mesurait environ 300 000 années-lumière de diamètre. Des estimations plus récentes évaluent sa taille à environ 100 000 années-lumière après correction des effets de la poussière interstellaire. Quoi qu’il en soit, la Voie lactée était bien plus grande qu’on ne le pensait auparavant, et notre Soleil ne se trouvait pas en son centre.

En 1920, les astronomes Harlow Shapley et Heber Curtis se livraient à une polémique publique au sujet de taches lumineuses floues, en forme de spirale, visibles au télescope. Ces taches étaient appelées « nébuleuses ». Ces nébuleuses représentaient-elles des nuages gazeux présents au sein de notre propre galaxie, ou s’agissait-il en réalité d’autres galaxies situées au-delà de la nôtre ? Ce différend, connu sous le nom de « Grand Débat », resta sans réponse à l’époque. Il fallut encore plusieurs années et un nouvel application de la loi de Leavitt pour trancher la question.

Après le décès d’Edward Pickering, la direction de l’Observatoire du Harvard College revint à Harlow Shapley, qui nomma Leavitt responsable de la photométrie stellaire en mars 1921. Après 26 ans passés à Harvard, c’était la première fois qu’elle se voyait confier officiellement la responsabilité administrative de son propre département. Mais cette nomination arriva trop tard. Sa santé se détériora rapidement au cours des mois suivants.

Henrietta Leavitt luttait contre un cancer de l’estomac très agressif ; sa mère s’occupait d’elle à leur domicile de Cambridge, dans le Massachusetts. Elle y est décédée le 12 décembre 1921, à l’âge de 53 ans. Elle a été inhumée dans le caveau familial des Leavitt, au cimetière de Cambridge. Sa succession, léguée à sa mère, était évaluée à 314,91 dollars. Elle n’a pas eu la chance d’assister aux découvertes majeures que sa loi sur la relation période-luminosité allait bientôt permettre.

Dans la nuit du 5 au 6 octobre 1923, l’astronome américain Edwin Hubble utilisa le télescope Hooker de 100 pouces de l’observatoire du Mont Wilson pour photographier la nébuleuse d’Andromède. Sur la plaque, il découvrit une étoile variable de type céphéide pulsante. Il barra le « N » qu’il avait écrit pour signifier « nova » et écrivit « VAR » à la place à l’encre rouge. En appliquant la loi de Leavitt, il calcula qu’Andromède se trouvait à environ un million d’années-lumière, bien au-delà de notre galaxie, la Voie lactée.

Cette mesure a mis fin à un débat qui opposait les astronomes depuis de nombreuses années. Ces spirales, dont Andromède faisait partie, étaient-elles en réalité des nuages gazeux au sein de notre galaxie, ou s’agissait-il d’« univers-îles » externes dotés de leurs propres étoiles ? La réponse, comme l’a prouvé Hubble, était la seconde. Cette découverte, qui mit fin au « Grand Débat » entre Harlow Shapley et Heber Curtis en 1920, est considérée comme l’une des plus grandes découvertes de l’astronomie du XXe siècle. Rien de tout cela n’aurait pu être réalisé sans la loi de période-luminosité de Leavitt.

En 1925, le mathématicien suédois Gösta Mittag-Leffler écrivit à Leavitt, à Harvard, pour lui faire part de son intention de la proposer comme candidate au prix Nobel de physique de 1926 pour sa découverte de la relation période-luminosité. Le directeur de l’observatoire, Harlow Shapley, lui répondit pour l’informer qu’elle était décédée le 12 décembre 1921. Les règles du prix Nobel n’autorisant pas les nominations à titre posthume, celle-ci ne fut jamais retenue.

Edwin Hubble a associé ces distances déterminées à partir des céphéides, calculées selon la loi de Leavitt, aux travaux de l’astronome belge Georges Lemaître sur le décalage vers le rouge de la lumière provenant des galaxies, qui constituait un autre indice de mouvement. Ces deux éléments combinés ont révélé que les galaxies lointaines s’éloignaient de la Terre à une vitesse proportionnelle à leur distance. Non seulement l’univers était bien plus vaste qu’on ne le pensait auparavant, mais il gagnait également en taille.

Le nom de Leavitt est immortalisé sur la face cachée de la Lune, dans un cratère de 66 kilomètres de large, baptisé « Leavitt » par l’Union astronomique internationale. Il existe également un astéroïde dans la ceinture principale du système solaire, connu sous le nom de 5383 Leavitt. Ce sont là les seuls hommages officiels qui lui aient été rendus. Sa nomination au prix Nobel n’est jamais arrivée à temps, mais sa loi de période-luminosité reste l’une des découvertes les plus influentes de l’histoire des sciences.

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