Astronomie
Objectifs d’apprentissage
À la fin de cette section, vous serez en mesure de :
- Décrire la structure de la Voie lactée et comment les astronomes l’ont découverte
- Comparer les modèles théoriques de formation des bras spiraux dans les galaxies à disque
Les astronomes ont pu faire d’énormes progrès dans la cartographie de la structure spirale de la Voie lactée après la découverte de la raie à 21 cm qui provient de l’hydrogène froid (voir Entre les étoiles : gaz et poussière dans l’espace). Rappelons que l’effet d’obscurcissement de la poussière interstellaire nous empêche de voir les étoiles situées à de grandes distances dans le disque aux longueurs d’onde visibles. Cependant, les ondes radio d’une longueur d’onde de 21 cm traversent la poussière, ce qui permet aux astronomes de détecter les atomes d’hydrogène dans toute la Galaxie. Des études plus récentes de l’émission infrarouge des étoiles dans le disque ont fourni une perspective similaire de la distribution stellaire de notre Galaxie, sans poussière. Malgré tous ces progrès au cours des cinquante dernières années, nous commençons tout juste à cerner la structure précise de notre Galaxie.
Les bras de la Voie lactée
Nos observations radio de la composante gazeuse du disque indiquent que la Galaxie possède deux bras spiraux majeurs qui émergent de la barre et plusieurs bras plus ténus et éperons plus courts. Vous pouvez voir une carte récemment assemblée de la structure des bras de notre Galaxie – dérivée d’études dans l’infrarouge – sur la figure 1.
Figure 1. Barre et bras de la Voie lactée : Ici, nous voyons la galaxie Voie lactée telle qu’elle serait vue d’en haut. Cette image, assemblée à partir des données de la mission WISE de la NASA, montre que la galaxie Voie lactée présente une modeste barre dans ses régions centrales. Deux bras spiraux, Scutum-Centaurus et Perseus, émergent des extrémités de la barre et s’enroulent autour du bulbe. Les bras du Sagittaire et de Persée contiennent moins d’étoiles que les deux autres bras. (crédit : modification des travaux de NASA/JPL-Caltech/R. Hurt (SSC/Caltech))
Le Soleil se trouve près du bord interne d’un bras court appelé l’Éperon d’Orion, qui mesure environ 10 000 années-lumière et contient des éléments aussi remarquables que le rift de Cygnus (la grande nébuleuse sombre de la Voie lactée d’été) et la brillante nébuleuse d’Orion. La figure 2 montre quelques autres objets qui partagent avec nous cette petite section de la Galaxie et qui sont faciles à voir. N’oubliez pas que plus nous essayons de regarder loin de notre propre bras, plus la poussière de la Galaxie s’accumule et rend difficile l’observation en lumière visible.
Figure 2. L’éperon d’Orion : Le Soleil est situé dans l’éperon d’Orion, qui est un bras spiral mineur situé entre deux autres bras. Dans ce diagramme, les lignes blanches indiquent quelques autres objets remarquables qui partagent cette caractéristique de la Voie lactée avec le Soleil. (crédit : modification des travaux de NASA/JPL-Caltech)
Formation de la structure spirale
À la distance du Soleil de son centre, la Galaxie ne tourne pas comme une roue solide ou un CD à l’intérieur de votre lecteur. Au lieu de cela, la façon dont les objets individuels tournent autour du centre de la Galaxie ressemble davantage au système solaire. Les étoiles, ainsi que les nuages de gaz et de poussière, obéissent à la troisième loi de Kepler. Les objets les plus éloignés du centre mettent plus de temps à effectuer une orbite autour de la Galaxie que ceux qui sont plus proches du centre. En d’autres termes, les étoiles (et la matière interstellaire) qui se trouvent sur des orbites plus grandes dans la Galaxie sont à la traîne derrière celles qui se trouvent sur des orbites plus petites. Cet effet est appelé rotation galactique différentielle.
La rotation différentielle semblerait expliquer pourquoi une si grande partie de la matière du disque de la Voie lactée est concentrée dans des caractéristiques allongées qui ressemblent à des bras en spirale. Quelle que soit la distribution originelle de la matière, la rotation différentielle de la Galaxie peut l’étirer en caractéristiques spirales. La figure 3 montre le développement de bras spiraux à partir de deux blobs irréguliers de matière interstellaire. Remarquez que les parties des blobs les plus proches du centre galactique se déplacent plus rapidement, tandis que celles plus éloignées sont à la traîne.
Figure 3. Modèle simplifié pour la formation des bras spiraux : Ce croquis montre comment les bras spiraux pourraient se former à partir de nuages irréguliers de matière interstellaire étirés par les différents taux de rotation dans toute la Galaxie. Les régions les plus éloignées du centre galactique mettent plus de temps à compléter leurs orbites et sont donc en retard sur les régions intérieures. Si c’était le seul mécanisme de création des bras spiraux, ceux-ci s’enrouleraient complètement et disparaîtraient avec le temps. Puisque de nombreuses galaxies ont des bras spiraux, ils doivent avoir une longue durée de vie et d’autres processus doivent être à l’œuvre pour les maintenir.
Mais cette image des bras spiraux présente aux astronomes un problème immédiat. Si l’histoire se résume à cela, la rotation différentielle – au cours des quelque 13 milliards d’années d’histoire de la Galaxie – aurait enroulé les bras de la Galaxie de plus en plus serrés jusqu’à ce que tout semblant de structure spirale ait disparu. Mais la Voie lactée avait-elle réellement des bras en spirale lorsqu’elle s’est formée il y a 13 milliards d’années ? Et les bras spiraux, une fois formés, durent-ils aussi longtemps ?
Avec l’avènement du télescope spatial Hubble, il est devenu possible d’observer la structure de galaxies très lointaines et de voir à quoi elles ressemblaient peu après le début de leur formation, il y a plus de 13 milliards d’années. Ce que les observations montrent, c’est que les galaxies dans leur enfance avaient des régions de formation d’étoiles brillantes et agglutinées, mais pas de structure spirale régulière.
Au cours des quelques milliards d’années suivantes, les galaxies ont commencé à se « stabiliser ». Les galaxies qui allaient devenir des spirales ont perdu leurs amas massifs et ont développé un bulbe central. La turbulence dans ces galaxies a diminué, la rotation a commencé à dominer les mouvements des étoiles et du gaz, et les étoiles ont commencé à se former dans un disque beaucoup plus silencieux. De plus petits amas de formation d’étoiles ont commencé à former des bras spiraux flous et peu distincts. Les bras spiraux brillants et bien définis n’ont commencé à apparaître que lorsque les galaxies avaient environ 3,6 milliards d’années. Au départ, il y avait deux bras bien définis. Les structures à plusieurs bras dans les galaxies comme celles que nous voyons dans la Voie lactée ne sont apparues que lorsque l’univers avait environ 8 milliards d’années.
Nous discuterons de l’histoire des galaxies plus en détail dans L’évolution et la distribution des galaxies. Mais, même à partir de notre brève discussion, vous pouvez avoir le sentiment que les structures spirales que nous observons maintenant dans les galaxies matures sont arrivées plus tard dans l’histoire complète du développement des choses dans l’univers.
Les scientifiques ont utilisé des calculs sur superordinateur pour modéliser la formation et l’évolution des bras. Ces calculs suivent les mouvements de jusqu’à 100 millions de « particules d’étoiles » pour voir si les forces gravitationnelles peuvent les amener à former une structure en spirale. Ces calculs montrent que les nuages moléculaires géants (dont nous avons parlé dans Entre les étoiles : gaz et poussière dans l’espace) ont une influence gravitationnelle suffisante sur leur environnement pour initier la formation de structures ressemblant à des bras en spirale. Ces bras s’auto-entretiennent ensuite et peuvent survivre pendant au moins plusieurs milliards d’années. La luminosité des bras peut changer au fil du temps, au gré des formations d’étoiles, mais il ne s’agit pas de caractéristiques temporaires. La concentration de matière dans les bras exerce une force gravitationnelle suffisante pour maintenir les bras ensemble sur de longues périodes de temps.
Concepts clés et résumé
La distribution gazeuse dans le disque de la Galaxie a deux bras spiralés principaux qui émergent des extrémités de la barre centrale, ainsi que plusieurs bras plus faibles et de courts éperons ; le Soleil est situé dans l’un de ces éperons. Les mesures montrent que la galaxie ne tourne pas comme un corps solide, mais que ses étoiles et son gaz suivent une rotation différentielle, de sorte que le matériau le plus proche du centre galactique complète son orbite plus rapidement. Les observations montrent que les galaxies comme la Voie lactée mettent plusieurs milliards d’années après le début de leur formation pour développer une structure spirale.
Glossaire
rotation galactique différentielle :
l’idée que les différentes parties de la Galaxie tournent à des rythmes différents, car les parties de la Galaxie suivent la troisième loi de Kepler : les objets plus éloignés mettent plus de temps à effectuer une orbite complète autour du centre de la Galaxie
bras spiralé :
région en forme de spirale, caractérisée par un matériau interstellaire relativement dense et de jeunes étoiles, que l’on observe dans les disques des galaxies spirales
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