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Galaxies

Les galaxies sont de vastes ensembles comprenants des millions, voire plus souvent des milliards d'étoiles. Il doit y avoir des milliards de galaxies dans l'Univers. La galaxie à laquelle appartiennent le Soleil et le système solaire est la Voie Lactée. De la Terre, nous pouvons voir d'autres galaxies, mais les plus proches d'entre elles sont si éloignées qu'elle n'apparaissent, à l'oeil nu ou avec des jumelles, que comme de faibles taches de lumières.

Forme des galaxies :

Les galaxies appartiennent a quatre grands types : la Voie Lactée est une galaxie spirale, avec un noyau dense et des bras spiraux. Il existe des galaxies spirales barrées et des elliptiques. D'autres, qui n'ont pas de forme définie, sont dites irrégulières.

NGC 253 est une galaxie spirale qui apparaît comme une tache en forme de cigare avec des jumelles, mais son centre est bien visible dans un grand télescope.

M109 est une galaxie spirale barrée, que l'on peut voir avec un grand télescope.

M110 est une galaxie elliptique. On peut la voir avec de grandes jumelles ou un télescope.

Le petit Nuage de Magellan est une galaxie irrégulière, visible à l'oeil nu comme un nuage brumeux.

Naissance des galaxies :

Immédiatement après le Big Bang, l'univers était probablement très uniforme, dépourvu d'étoiles, de galaxies et de touta utre type de structure. Comme un univers aussi plat et homogène s'est-il transformé, regorgeant d'étoiles regroupées en amas, de galaxies et d'amas galactiques ?

La densité de l'univers primordial ne connaissait que de petits écarts d'homogénéité dus à l'incessant mouvement des particules agitées par le rayonnement, un gaz en bouillonnement permanent, comme les vagues montantes et descendantes de la mer. Mais l'eau se soulève et retombe à cause de la gravité, qui atténue toutes les perturbations à l'intérieur du fluide. Dans l'univers au contraire, les perturbations de densité qui se créaient continuellement se servaient de la gravitation : elles grossissaient et la force d'attraction exercée par leur propre masse leur permettait d'attirer la matière environnante, créant dans l'univers ces écarts d'homogénéité qui subsitent encore aujourd'hui.

Deux scénarii sous entendent les théories les plus avancées ces dernières décennies sur la formation des galaxies. Selon la théorie hiérarchique, les première structures à s'être formées étaient celles possédant une masse d'environ un million de fois le Soleil. Les structures les plus grandes, comme les galaxies, se formèrent par agréat des plus plus petites. Puis, la réunion de ces galaxies en groupes et amas a abouti à des structures les plus importantes de l'univers : les superamas, reliés par la force de gravité.

Un point de vue contaire soutient que les plus petites structures proviendraient de la fragmentation des plus grosses. Ainsi, les superamas auraient été créés les premiers : des millions de milliards de masses solaires se seraient effondrées, cédant à la pession des gaz et du rayonnement. Les masses de cette entité auraient donc occupé d'immenses espaces, pâtissant par la suite de l'expansion de l'Univers, elle-même amorcée avec le Big Bang. Cette expansion aurait contraint la grande structure en formation à s'aplatir dans une certaine direction, produisant de fait une feuille de matière dense. Celle-ci, à peine créée, à dû se contracter sous une autre forme, donnant ainsi naissance à des filaments étendus sur des millions d'années-lunmière. Avec le temps, ces filaments se seraient scindés en entités plus petites, engendrant amas galactiques puis simples galaxies.

Fruit de l'interaction entre les galaxies NGC2207 et IC2163, situées dans la constellation du Grand Chien

L'observation des galaxies les plus jeunes à permis, ces dernières décennies, d'étayer ces deux théories. En 1980, l'astronome américain Dressler établit une relation entre le type de galaxie (elliptique ou à spirale), et leur localisation : c'est la relation morphologie-densité, ou effet de ségrégation morphologique. Les galaxies elliptiques sont plus nombreuses à l'intérieur des amas qu'à l'extérieur, alors que le reste de l'espace est dominé par les galaxies spirales et irrégulières. Dans le scénario de la fragmentation, une galaxie est issue d'un amas, il est donc possible que l'environnement ait une influence sur le type de galaxie en formation.

Ces arguments en faveur de la fragmentation ont pourtant été démentis par une simple observation depuis le télescope spatial Hubble. Celui-ci a photographié des galaxies elliptiques en tout point semblables à celles se trouvant proches de nous, mais formées seulement deux milliards d'années après le Big Bang. Pour qu'une galaxie soit visible, un milliard d'années au moins doit s'être écoulé depuis sa naissance. Cela suppose que les elliptiques observées par Hubble se sont formées un milliard d'années seulement après le Big Bang. Mais cela est trop court pour valider la théorie de la fragmentation. Cependant, aucune preuve n'a formellement établi la théorie hiérarchique. En dépit des récentes découvertes relatives à la matière obscure, l'origine des galaxies rest donc un chapitre ouvert.

Sur cette image de la galaxie à spirale M106, deux bras inhabituels qui ressortent en bleu et violet

La diversité entre les divers types de galaxies ne porte pas uniquement sur leur aspect extérieur. Les astronomes désignent habituellement comme population stellaires les groupes d'étoiles formés au même moment. Il existe la population I, de constitution récente et qui produit encore de nouvelles étoiles, et la population II, dont les étoiles sont très anciennes, probablement formées un milliard d'années apès le Big Bang. On trouve donc, dans les galaxies, des étoiles de près de 14 milliards d'années et des étoiles plus jeunes. Les deux familles se différencient par leur couleur (les étoiles anciennes sont généralement plus rouges que les jeunes) et par leur composition chimique.

Un ensemble d'étoiles nées peu après le Big Bang, alors qu'il n'existait pas d'éléments lourds, est nécessairement composé de la même matière que celui-ci. Mais les grandes étoiles meurent rapidement et peuvent exploser en phase finale de leur vie, formant des éléments lourds qui se retrouvent dans l'espace. Ainsi, depuis les milliards d'années, les étoiles se créent à partir de matière qui intègre également ces nouveaux éléments.

Galaxies jeunes et vieilles :

Les observations ont démontré que les galaxies elliptiques sont composées d'étoiles appartenant à la population II, vielles et rouges, alors que le disque des galaxies à spirales foisonne d'étoiles de population I, encore jeunes ou naissantes. On retient donc que les premières sont, en moyenne, de constitution plus anciennes que les secondes, même si au centre des galaxies à spirales ainsi que dans le halo externe, on trouve un grand nombre d'étoiles de population II. De ce point de vue, une galaxie elliptique ressemble fortement au noyau galactique d'une spirale, sans le disque environnant formé de gaz et poussières, composants nécessaires à la formation de nouvelles étoiles.

La Voie Lactée :

Impossible d'ignorer la bande blanchâtre qui traverse la sphère céleste lorsqu'on observe le ciel nocturne : La Voie lactée. Elle est visible quelle que soit notre position sur la surface terrestre. Elle n'est, à nos yeux, qu'une faible et diffuse luminosité, mais il s'agît en réalité du disque galactique vu de côté, formé de milliards d'étoiles que l'oeil humain ne saurait distinguer.

La Voie lactée est une galaxie à spirale constituée d'un grand corps principal plat en forme de disque possédant un diamètre de plus de 100 000 années-lumière, qui renferme la majeure partie des étoiles. Ce disque n'est pas de formation compacte et contient des structures courves issues de noyau, qui s'étendent jusqu'au confins de la galaxie. Ce sont les bras spiraux, zones de matière à forte densité où, aujourd'hui encore, des nuages de gaz et de poussières interstelaires donnent le jour à de nouvelles étoiles. Le noyau galactique se situe au centre de cette structure aplatie qu'est le disque.

A l'intérieur de celui-ci se trouve le halo, coque à symétrie sphérique peuplée des plus vielles étoiles et d'amas globulaires représentant les plus anciens systèmes stellaires de notre galaxie. Ces derniers sont de forme circulaire caractéristique et de densité stellaire extrêmement élevée. Les amas globulaires comptent parmi les objets les plus extraordinaires que l'ont peut contempler au télescope.

Le Soleil se trouve sur le plan médian à une distance d'environ 28 000 années-lumière du coeur de la galaxie. Cela signifie qu'il est en périphérie, environ au deux tiers du rayon galactique en partant du centre. Dans la mesure où nous sommes immergés dans la galaxie et que nous l'observons depuis l'interieur, son disque nous apparaît telle une bande étoilée projetée sur la sphère terrestre.

Les mouvements de la Voie Lactée :

Il est difficile de croire que nous voyageons dans l'espace et que nous prenons part aux mouvements propres à notre planète, à ceux qu'elle effectue avec tout le système solaire à l'intérieur de la Voie Lactée, ou encore au sein de l'univers en expansion. Nous faisons, à chaque instant, une course folle, parcourant une centaine de kilomètres par secondes. Ces mouvements sont imperseptibles car ils sont réguliers et semblent se produire à une vitesse toujours constante. Notre galaxie tourne sur elle-même en près de 240 millions d'années, et le Soleil est en orbite autour de son centre à une vitesse d'environ 220 Km par seconde, soit 800 000 Km/heure. Aussi peut-on imaginer que le ciel étoilé illuminant les nuits sur Terre au temps des dinosaures était très différent du ciel actuel, puisque le Soleil a parcouru au moins un tiers de sa révolution pendant ce laps de temps. Les constellations telles que nous connaissons aujourd'hui n'existaient pas à l'époque. La rotation de la Voie Lactée et de toutes les autres galaxies à spirale se produit de manière différenciée, ce qui signifie que les étoiles et les objets célestes centraux ont une période de révolution plus courte que les plus éloignés.

Les autres mouvements :

Nombreux sont les autres mouvements au sein de la Voie Lactée. A titre d'exemple le Soleil possède un mouement propore qui se superpose à la révolution autour du centre falactique. Il se déplace en direction de l'étoile Mu de la constellation d'Hercule à une vitesse d'environ 17 Km/seconde, soit près de 60 000 Km/heure. Afin d'apréhender un tel mouvement, les astronomes observent des étoiles de référence en direction opposée. Si, d'un côté, les étoiles semblent s'éloigner de nous d'un bloc, celles se trouvant de l'autre côté paraissent, au contraire, se rapprocher, ce qui signifie que le Soleil se déplace dans l'espace. C'est comme si on empruntait en voiture une route droite et longue, bordée d'arbres : ceux se trouvant devant la voiture avancent, alors que ceux derrière s'éloignent de manière uniforme.

De même les étoiles possèdent leurs propres mouvements, dus, en général à l'attraction locale exercée par des étoiles à proximité. En conséquence, elles se promènent à travers la galaxie.

Le mouvement des amas :

Les étoiles ne sont pas les seules à se mouvoir. Il en est ainsi pour tous les autres objets qui peuplent la Voie Lactée : les amas ouverts et globulaires, nébuleuses etc. Le mouvement des amas globulaires est particulièrement intéressant. Ce sont des ensembles très denses composés de centaines de milliers de vieilles étoiles, qui peuplent par centaines une région sphérique autour du noyau et du disque de la galaxie. Les amas globulaires se comportent tels de véritables satellites, tourant autour du centre galactique selon des orbites elliptiques beaucoup plus allongées et inclinées que le disque. Ils se déplacent à une vitesse d'environ 200 Km/seconde, passant régulièrement à travers le disque à une fréquencede quelques millions d'années. Leur densité extrême leur assure une stabilité. Néanmoins, l'interaction avec le plan de la Voie Lactée entraîne leur désagrégation.

Il en est très différemment des amas ouverts, qui contiennent à peine quelques centaines ou milliers d'étoiles, et se disloquent généralement dans les bras spiraux. Les étoiles qui les peuplent sont moins épaisses que celles des amas globulaires. Aussi tendent-elles à se désagréger généralement sur des dizaines de millions d'années. En effet, il existe de nombreux amas globulaires extrêmement anciens, de plus de dix milliards d'années, alors que les amas ouverts sont généralement beaucoup plus jeunes.

Les amas galactiques :

Les amas galactiques sont des structures tellement énormes que leur phase de construction, menant une configuration stable, n'est pas encore achevée. De nombreux objets n'ont pas atteint leur point d'équilibre dynamique, leur forme est destinée à varier sur une échelle temporelle qui s'exprime en milliards d'années. Partant de cette diversité morphologique apparente, les astronomes ont classé les amas selon un possible scénario évolutif, en commançant par les amas irréguliers, probablement les plus jeunes, pour arriver aux amas réguliers ayant une densité centrale galactique sphéroïdale très élevée (ces amas sont peut-être les plus anciens, leur forme n'évoluera plus, sauf fusions catastrophiques avec d'autres amas).

L'amas de galaxies Abell 2744

Divers amas de tailles très différentes ont été identifiées. En astronomie, ces dimensions variables se mesurent à la richesse d'un amas, à savoir les galaxies dénombrées sur une distance de 1,5 Mpc depuis le centre (1 Mpc, ou mégaparsec, correspond à un million de parsecs. Un parsec est égal à 3,26 années lumière). Les amas les plus riches sont également les plus rares. On a constaté que la richesse d'un amas conditionne le type de galaxies contenues. Ainsi, plus un amas est riche, plus il renferme de galaxies elliptiques. Ceci tient au fait qu'une plus grande richesse implique une plus grande densité galactique dans les zones intenses de l'amas. Par conséquent, les amas les plus riches sont généralement les plus réguliers. Si on suppose que les plus réguliers sont aussi les plus vieux, alors les galaxies tendent naturellement à passer de la forme spirale à la forme elliptique ou lenticulaire. Ce phénomène vaut pour les amas les plus éloignés, qui possèdent un grand nombre de galaxies de couleur bleue, typique des galaxies à spirale.

Les images récemment révéles par le télescope spatial Hubble ont mis au jour des amas galactiques situés à des milliards d'années-lumière de distance. Il s'agit de galaxies à spirale et même irrégulières qu'on ne dénombre plus aujourd'hui, à une période proche de la nôtre. Les phénomènes qui peuvent avoir engendré leur disparition sont de deux types : la fusion de deux ou plusieurs galaxies et l'arrêt de la formation de nouvelles étoiles au sein des galaxies. Le premier induit un changement morphologiqueinévitable des objets concernés, du fait des interactions gravitationnelles qui se produisent lors de la fusion : des simulations effectuées par ordinateur ont démontré que le fruit d'une fusion est toujours une galaxie sphéroïdale elliptique.

La formation d'étoile peut cesser si le gaz contenu à l'intérieur d'une galaxie est entièrement consommé ou dispersé. Des interactions gravitationnelles intenses, comme cela se produit lors de rencontres rapprochées, peuvent provoquer l'échappement du gaz contenu dans le disque d'une galaxie à spirale, la transformant ainsi en galaxie lenticulaire, ou en galaxie possédant un disque mais ne produisant plus d'étoiles et portant les couleurs d'une galaxie elliptique.

Les noyaux galactiques actifs :

Jusqu'à la moitié du 20e siècle, on partait du principe que les galaxies étaient des objets relativement tranquilles. Cependant, à partir de 1943, l'astronome Carl Keenan Seyfert à attiré l'attention sur d'étranges phénomènes se produisant à l'intérieur des noyaux de certaines galaxies à spirales : une émission élevée et anormale d'ondes radio mais aussi de lumière bleue depuis les régions centrales, ou encore de notables variations de luminosité. Depuis les astronomes ont démontré à plusieurs reprises l'activité des noyaux de divers types de galaxies. On pense aujourd'hui qu'il s'agit de manifestations d'objets appartenant à une seule et même famille : celle des noyaux galactiques actifs, ou AGN (Active Galactic Nucleus). On s'accorde à croire que le moteur de ces AGN est un trou noir possédant une masse propre à un noyau galactique (comprise entre cent millions et un milliard de masses solaires).