Les galaxies de l’Univers

La dernière fois, nous avons évoqué le fait que les galaxies de l’Univers étaient encore inconnues au début du siècle dernier. Aujourd’hui, nous connaissons la richesse de leurs formes et de leurs structures, leur longue histoire et leur caractère fantasque : des îles d’étoiles migrent dans l’espace, dansent les unes avec les autres et se fondent les unes dans les autres. C’est de la diversité des galaxies que nous allons parler aujourd’hui.

Qu’est-ce qu’une galaxie ?

Nous imaginons souvent une galaxie telle qu’elle est traditionnellement représentée dans les encyclopédies et les documentaires : une immense spirale de fumée bleutée, cachant des grappes d’étoiles, avec un noyau brillant au centre. Cependant, une telle «île d’étoiles» n’est qu’un type de structures régulières. Il existe en effet des galaxies irrégulières, dépourvues de noyau et de bras prononcés, qui flottent dans l’espace comme un œuf brisé en apesanteur. De loin, elles ne diffèrent guère des nébuleuses chaotiques : la différence réside dans la taille et la concentration des étoiles.

La galaxie d’Andromède est la grande galaxie la plus proche de nous.

Que faut-il donc pour qualifier un objet de galaxie ?

• Tout d’abord, la présence d’étoiles et d’amas d’étoiles, qui constituent la majeure partie de la matière visible de la galaxie. Mais il ne s’agit que de matière visible : la majeure partie de la masse d’une galaxie est constituée de couches de gaz et de poussière, de nuages moléculaires et de matière noire.
• Deuxièmement, toute cette richesse doit être liée à un système gravitationnel et tourner autour d’un centre de masse commun. Il s’agit généralement du centre galactique, dont nous parlerons plus loin, mais son absence n’est pas un obstacle.
• Outre l’interaction gravitationnelle interne, les galaxies interagissent entre elles. Les petites «îles stellaires» tournent autour des plus grandes — et elles établissent des liens avec d’autres géantes, rejoignant ainsi la structure à grande échelle de l’Univers. Mais contrairement aux planètes et à leurs satellites, les galaxies sont connues pour leur comportement prédateur. Notre Voie lactée est sur le point d’être engloutie par ses compagnons, le Grand et le Petit Nuage de Magellan, dans quelques milliards d’années, avant d’être dévorée par la galaxie d’Andromède.

Le Grand Nuage de Magellan est une galaxie satellite de la Voie lactée.

• L’une des principales caractéristiques d’une galaxie est sa taille — à la fois le nombre d’étoiles et l’étendue. Dans ce domaine, cependant, il n’y a aucune précision. Il existe des galaxies qui contiennent des centaines de millions d’étoiles dans un rayon de cent ou deux années-lumière. Mais il y en a d’autres dans lesquelles les mêmes cent années-lumière se dispersent sur les mêmes cent années-lumière en comptant des milliers d’étoiles. Par conséquent, le seul critère clair ici est la séparation gravitationnelle avec les «îles» voisines et la présence de son propre centre de masse. Ainsi, dans l’univers, il existe des galaxies avec quelques milliers de luminaires et des centaines de billions d’étoiles en même temps.

Comme vous pouvez le constater, il n’existe pas de cadre ou de définition claire du concept de galaxie. C’est pourquoi elles sont si diverses, souvent inimaginables. Il s’agit de puissants quasars super brillants, du Grand Attracteur et d’immenses champs d’étoiles s’étendant sur des millions d’années-lumière. Mais même les galaxies les plus ordinaires ont de quoi surprendre. C’est ce que nous allons voir maintenant.

La diversité des galaxies

E.P. Hubble avec une image de la galaxie d’Andromède en main.

La première chose qui frappe l’œil lorsqu’on étudie les galaxies, c’est leur forme et leur configuration. Certaines ressemblent à des spirales de cyclones dans l’atmosphère terrestre, d’autres à des arroseurs de jardin d’où jaillissent des jets d’eau, et d’autres encore à des disques stellaires uniformes et plats. Ces détails caractéristiques sont à la base de la classification moderne des galaxies, également appelée morphologique (la morphologie est la science de la structure et de la forme d’une chose).

Dès le début de l’étude des galaxies par Edwin Hubble, il existait une théorie sur la dépendance de l’apparence des galaxies par rapport à leur âge. À partir d’un petit amas dense de gaz et d’étoiles, les galaxies se développent progressivement en spirale ou simplement en largeur, puis se rétractent. Par conséquent, l’apparence d’une «île d’étoiles» peut nous en apprendre beaucoup sur son histoire.

Les composants structurels d’une galaxie

Edwin Hubble, pionnier et innovateur de l’étude des «îles d’étoiles» au-delà de la Voie lactée, a identifié d’abord 3, puis 4 types principaux de galaxies, dont l’étude et le détail se poursuivent encore aujourd’hui. Mais même la typologie actuelle des «îles d’étoiles» est basée sur les composantes morphologiques d’une galaxie. Comme dans un constructeur, toute galaxie peut être «construite» à partir de ces éléments. Les astronomes distinguent les composants suivants :

• Le noyau est la partie centrale de la galaxie, la concentration de sa masse. C’est le noyau qui sert d’ancrage gravitationnel à tous les autres composants de la galaxie. Il peut s’agir d’un seul objet cosmique, comme un trou noir, ou d’un groupe entier d’étoiles, de nuages de poussière, de trous noirs et d’autres «habitants» du centre galactique. Nous parlons généralement de cette dernière option, également appelée noyau galactique actif, dont les processus et le rayonnement ne sont pas épuisés par la seule «activité vitale» des étoiles.

Un trou noir dans le noyau d’une galaxie

• Le disque est une couche mince et plate de la galaxie dans laquelle tourne la majeure partie de son contenu. Le principe de sa localisation est similaire au plan de l’écliptique du système solaire, où se trouvent les orbites des planètes les plus massives. C’est aussi la partie la plus visible de la galaxie, car elle occupe la plus grande surface. Le disque galactique unique est divisé en deux composantes : le disque de gaz et de poussières et le disque stellaire.
• Les branches spirales, également appelées bras galactiques, peuvent apparaître dans le disque. Les bras ne sont pas aussi denses que les autres éléments de la galaxie, et ils contiennent de nombreuses jeunes étoiles.

Il est intéressant de noter que certaines galaxies possèdent deux disques à la fois ; le second est appelé anneau polaire. Le disque «supplémentaire» contenant des étoiles et des nébuleuses n’a pas toujours un centre de masse commun avec le disque principal. Les anneaux galactiques polaires apparaissent le plus souvent lors de fusions de galaxies ou de la formation spontanée d’un second centre galactique, bien que le mécanisme exact soit encore inconnu.

La composante sphéroïdale est la partie des étoiles et du gaz galactique qui se trouve à l’extérieur du disque galactique et qui est placée sur la sphère d’attraction autour du noyau. Sa fraction de la masse totale de la galaxie peut fluctuer.

Centre, balge et halo

• Le centre (de l’anglais «swell, bulge») est la masse sphérique du centre d’une galaxie. Il est constitué de grandes étoiles géantes, de vieux luminaires et d’amas d’étoiles globulaires. Le bulbe est la partie la plus concentrée et la plus brillante d’une galaxie. Sa présence indique la présence d’un trou noir supermassif. À côté du bulbe peut se trouver une barre (du mot anglais «jumper»), un «pont» allongé entre le bulbe et les bras galactiques.
• Lorsque la balise appartient au centre de la composante sphéroïdale de la galaxie, le halo remplit toute la partie extérieure de l'»île stellaire». C’est la partie la plus importante de la galaxie, puisqu’elle s’étend bien au-delà du disque, et la plus massive, puisqu’elle est essentiellement constituée de matière noire.

Classes de galaxies

Maintenant que vous connaissez les composants de base d’une galaxie, il est très facile de déterminer sa classe. Il suffit d’évaluer l’expression des principaux éléments — les disques stellaire et de poussières de gaz, le noyau et la composante sphéroïdale.

Galaxies elliptiques (E)

Les galaxies elliptiques constituent la première classe d'»îles stellaires» qui servent de point de référence pour les autres types. Leur particularité est qu’elles n’ont pas de disque ni de bras — en gros, elles ne forment qu’une seule et même boule et sont constituées d’une sphère galactique. Il est vrai que la sphère n’est pas tout à fait exacte : les galaxies elliptiques sont toujours plus ou moins allongées, ce qui leur a valu leur nom.

La galaxie elliptique géante ESO 325-G004

La composition stellaire des galaxies elliptiques est remarquable par sa modération. La plupart de leurs étoiles sont soit de vieilles géantes rouges, soit des naines rouges et jaunes modérées. Il y a quelques étoiles brillantes, mais elles se situent rarement en haut du diagramme de Hertzsprung-Russell — la luminosité des étoiles blanches dans les galaxies elliptiques n’est pas très forte. Les géantes bleues, les étoiles de Wolf-Raye et les autres luminaires massifs et actifs sont tout simplement absents ou extrêmement rares.

Bien que la formation et l’évolution des galaxies restent un mystère pour les astronomes, les galaxies elliptiques font l’objet de quelques spéculations. Elles contiennent peu de gaz et de poussière, de nouvelles étoiles se forment rarement et les étoiles lumineuses existantes ne sont pas vieilles — de nombreuses années se sont donc écoulées avant leur état actuel. De plus, il n’est pas facile d’obtenir une forme elliptique. L’option la plus probable est la collision et l’absorption mutuelle de deux galaxies spirales ou lenticulaires.

Documents sur le sujet

Le fait que la plus grande galaxie de l’univers observable, IC 110, appartienne également à la catégorie des galaxies elliptiques plaide en faveur de cette théorie. Si cela est vrai, après la collision avec la galaxie d’Andromède, notre Voie lactée se transformera elle aussi en une galaxie elliptique géante.

Galaxies lenticulaires (S0)

Les galaxies lenticulaires ont une forme intermédiaire entre les galaxies elliptiques et les galaxies spirales. Elles conservent un centre massif, mais possèdent des disques entièrement formés : stellaires et gazeux. En raison du contraste entre le bulbe convexe et le disque aplati, ces galaxies ressemblent à des lentilles doublement convexes, d’où leur nom.

«La population des galaxies lenticulaires est similaire à celle des galaxies elliptiques : on y trouve les mêmes vieilles étoiles, de petits luminaires matures et des restes stellaires tels que des supernovae, des trous noirs et des objets similaires. Comme les galaxies précédentes, elles ne contiennent pas beaucoup de gaz libre, mais beaucoup de poussière galactique. Cela amène les astronomes à penser que les «îles stellaires» lenticulaires sont les héritières «fanées» des galaxies spirales, dans lesquelles le potentiel de formation d’étoiles est épuisé et où les bras ont fusionné.

Les galaxies lenticulaires et elliptiques représentent 40 % de la population galactique de l’univers, soit la moitié du nombre total. Même si, ensemble, elles ne sont pas aussi courantes que les galaxies spirales, les galaxies lenticulaires et elliptiques sont souvent visibles sur les images des télescopes.

La galaxie lenticulaire Spindle ou NGC 5866

Galaxies spirales (S)

Une galaxie spirale classique est une galaxie elliptique dont les bras spiraux se ramifient à partir du centre de la galaxie. Elle est également en rotation active (comme l’indique sa forme en spirale) et possède des composants gazeux et poussiéreux distincts. La composition des bras des galaxies spirales est étonnamment différente de celle du centre : ils sont riches en matière visible libre et, de ce fait, des étoiles s’y forment activement. Un autre nombre prédominant de galaxies spirales ont une jonction en forme de barre. Les galaxies de cette classe sont les plus répandues dans l’Univers : elles représentent 55 % du nombre total d'»îles stellaires».

En règle générale, ces galaxies ont peu de bras et la spirale n’est tordue que de quelques tours. La raison exacte pour laquelle les galaxies n’ont pas une spirale plus serrée n’est pas connue. Certes, les étoiles se déplacent très rapidement autour du centre de la galaxie, en accélérant pour se rapprocher du centre, et migrent librement d’une partie de la spirale à l’autre. Mais cela ne suffit pas à «geler» les bras galactiques dans l’espace.

NGC 1097 est une galaxie spirale avec une jonction dans la constellation du Fourneau.

L’une des théories les plus probables est que la spirale se forme sous l’influence d’ondes de densité. Celles-ci compriment les nuages de gaz et de poussière qui tombent dans les bras, les «fixant» et activant la formation d’étoiles. La plupart des étoiles qui s’y forment sont des étoiles bleues, massives et brillantes, qui n’existent que pendant quelques millions d’années et ne changent donc pas de position. Tout cela contribue à la stabilité des bras.

Il ne s’agit toutefois que d’une théorie. Toute observation à long terme du développement des galaxies est impossible, et leur structure est trop complexe pour que l’on puisse se prononcer avec certitude. Il n’en reste pas moins qu’il y a beaucoup d’étoiles massives et brillantes dans les bras, ce qui les fait briller en bleu.

Galaxies irrégulières(Irr)

Galaxie irrégulière NGC 5477

Les galaxies irrégulières sont les plus rares des «îles d’étoiles». Elles ressemblent à des nuages déchirés et répètent leur structure. Elles contiennent beaucoup de gaz, de poussière et d’amas d’étoiles, mais ne possèdent pas les principaux éléments structurels — spirales, élastiques, etc. Certaines ressemblent à des galaxies elliptiques ou spirales. De nombreuses galaxies irrégulières sont devenues telles en raison de l’influence gravitationnelle extérieure qui a déformé leur forme. Mais il existe aussi des «îles stellaires» qui ont acquis cette apparence d’elles-mêmes.

Les galaxies naines constituent un type particulier de galaxies irrégulières : elles sont pleines de gaz nécessaire à la formation d’étoiles, elles contiennent peu de métaux (en astronomie, des éléments autres que l’hydrogène et l’hélium) et leur taille est très compacte. Ces trois facteurs créent des conditions idéales pour la formation d’étoiles très grandes, brillantes et de courte durée. Les scientifiques pensent que c’est à cela que ressemblaient les premières galaxies de notre Univers. Grâce au télescope James Webb, qui peut pénétrer jusqu’à une distance de 100 millions d’années après le Big Bang, les scientifiques s’attendent à voir d’autres galaxies irrégulières remplies d’étoiles supergéantes.

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Date de publication: 12-26-2023

Mettre à jour la date: 12-26-2023