Qu’est-ce qu’une galaxie ?
Dans le passé, l’Homme n’a observé que des « tâches floues », des nébuleuses de lumière dans lesquelles les premiers télescopes ne permettaient pas de distinguer individuellement les
étoiles. Au fil du temps, les outils d’observation se sont améliorés.
Ce n’est finalement que dans les années 1920 que les galaxies ont été décrites comme des systèmes constitués de milliards d’étoiles, de gaz et de poussières interstellaires. Les astrophysiciens ont aussi pu mettre en évidence un déplacement des galaxies et un mouvement de rotation de celles-ci sur elles-mêmes. Ce mouvement suggère que quelque chose d’autre, de très massif, compose également les galaxies. Cette matière invisible - car n’émettant pas d’elle-même de la lumière - , se manifeste seulement par la force gravitationnelle qu’elle exerce sur
les étoiles dans une galaxie. Elle est dénommée par les astrophysiciens «
matière noire ».
A l’échelle de l’Univers, on peut assimiler une galaxie à un objet spatial unique, certes gigantesque et extrêmement massif, mais dont tous les éléments forment un ensemble cohérent, liés entre eux par la
gravitation.
La galaxie naine eSO 540-31 est située à 11 millions d’années-lumière de la Terre, dans la constellation de la baleine. © L.Limatola/ESA/Hubble
Les galaxies sont-elles toutes semblables ?
Dans l’Univers, il existe des centaines de milliards de galaxies qui se différencient par leur composition, leur âge, leur couleur, leur forme, leur activité et leur évolution.
Quel est le moteur de l’évolution des galaxies ?
Les galaxies créent en leur sein de nombreuses
étoiles et une même galaxie peut contenir plusieurs générations d’étoiles. Lorsqu’une galaxie produit beaucoup d’étoiles de manière simultanée, elle génère une « flambée de formation d’étoiles ». Les astrophysiciens considèrent que l’évolution des galaxies est liée à leur capacité à fabriquer des étoiles. Lorsqu’elle ne produit plus d’étoiles, une galaxie meurt. Mais cela ne signifie pas qu’elle se désintègre ou que toutes les étoiles s’y éteignent, certaines continueront à « vivre » pendant des dizaines de milliards d’années.
Et si les étoiles constituant une galaxie étaient des grains de sable ?
Si chaque étoile est comparée à un grain de sable de 0,1 mm, alors le grain de sable représentant le Soleil serait placé à 2,9 km de l'étoile la plus proche, Proxima du Centaure (distante de 40,1 mille milliards de km). De plus, si chaque étoile de la Voie Lactée est représentée par un grain de sable, comme il y a environ 100 milliards de grains de sable par mètre cube de sable, il nous faudrait près de 2,5 m3 pour toutes les comptabiliser… De même, si chaque étoile de l’Univers était un grain de sable, alors il y en aurait dans tout l’Univers au moins 10 à 100 fois de plus que tous les grains de sable (des plages, côtes et mêmes déserts !) de la Terre.
Comment évolue la composition des galaxies ?
La composition des galaxies n’est pas immuable. Aujourd’hui, si 10% de la masse d’une galaxie est composée de gaz, celui-ci représentait la moitié de sa masse il y a 9 milliards d’années. Cela signifie que quand l’Univers était plus jeune, il y avait une autre organisation des étoiles et des nuages de gaz interstellaire au sein des galaxies. De même, les poussières stellaires ne se sont formées qu’au fil de l’existence de l’Univers.
Quelles sont les grandes familles de galaxies ?
Les galaxies spirales (l’essentiel des galaxies) contiennent de 10 à 100 milliards d’étoiles et produisent de 1 à 1 000 étoiles/an. Ces galaxies sont souvent constituées de bras qui s’enroulent sous forme de spirale en raison d’ondes de densité, des accumulations de matière liées à la rotation de la galaxie.
Les galaxies elliptiques et irrégulières ont, quant à elles, un mouvement de rotation sur elles-mêmes moins prononcé. Les galaxies elliptiques (environ 20 % des galaxies de notre Univers) contiennent de 10 millions à 1 000 milliards d’étoiles. Celles-ci sont souvent très âgées au contraire des galaxies dites « irrégulières » (très peu nombreuses) qui abritent de 100 millions à 10 milliards d’étoiles, essentiellement très jeunes. Lorsque la masse d’une galaxie dépasse 10 milliards de fois celle du Soleil, on parle alors de
galaxie massive et la plupart des chercheurs pensent qu’elles possèdent également untrou noir supermassif en leur centre.
La collision des galaxies, un billard spatial ?
Une galaxie se déplace dans l’espace et peut entrer en collision avec une autre galaxie, menant à une modification importante de leur forme. C’est essentiellement la gravité qui fait interagir ces corps stellaires. Mais une collision de galaxies ne signifie pas un choc violent d’une étoile contre une autre étoile car l’espace est très important entre les étoiles et ces collisions sont très rares. Seuls les nuages de gaz peuvent s’entrechoquer car ils sont beaucoup plus diffus. Le gaz va alors se comprimer et s’échauffer puis se refroidir, pouvant créer au passage de nouvelles étoiles.
Deux galaxies différentes peuvent aussi fusionner, menant à une réorganisation de la matière à l’intérieur d’un nouvel ensemble unique : les étoiles vont réorganiser leurs orbites et des étoiles peuvent même être éjectées en dehors de la galaxie fusionnée. La forme d’une galaxie, telle une cicatrice pour un humain, peut donc nous renseigner sur les événements ayant eu lieu dans sa vie.
Résultat de la collision de deux galaxies spirales, et distribution des étoiles ainsi formées : la majorité dans une galaxie elliptique centrale, produit de cette fusion. © CEA/F. Bournaud
Et la Voie Lactée ?
Contrairement à ce que l’on pourrait penser,
la Voie Lactée, notre galaxie, qui nous entoure et dans laquelle le système solaire évolue, est assurément la plus connue mais également l’une des plus difficiles à observer et à étudier à l’échelle globale. Alors que l’on observe facilement les systèmes stellaires voisins, il est difficile de déterminer la couleur ou encore la masse totale des étoiles qui composent la Voie Lactée comme on le fait pour les autres galaxies. On ne peut en effet en sortir physiquement, pour en prendre une photographie d’ensemble. C’est pourquoi nous devons nous contenter d’observer la Voie Lactée depuis notre planète en émettant des hypothèses sur son évolution et son histoire. En réalisant un panorama du ciel qui nous entoure, on constate que la distribution des étoiles est aplatie et concentrée le long d’une bande laiteuse qui a donné le nom de la Voie lactée : cela signifie que nous ne sommes pas au centre de notre galaxie. Puis, en considérant le nombre d’étoiles dans toutes les directions, leur distance par rapport à notre
système solaire, et en comparant ces observations à d’autres galaxies proches aux compositions et morphologies similaires, il est possible de reconstituer la forme et les bras de la Voie Lactée.
Cette image est l’une des plus détaillées du centre de la Voie Lactée et recompose ensemble trois observations prises à des longueurs d’onde différentes de lumière par les télescopes Hubble (en jaune, proche infrarouge), Spitzer (en rouge, infrarouge) et Chandra (en bleu, ultraviolet et rayons-X). Le centre de la galaxie se situe au niveau de la tâche blanche de droite. © NASA/JPL-Caltech/ESA/CXC/STScI
On a ainsi pu établir que notre Voie Lactée est une galaxie spirale de taille moyenne dont le disque fin comprend des bras spiraux, un bulbe, et un halo diffus d’étoiles et d’amas globulaires. D’un diamètre d’environ 100 000 années lumières et relativement âgée, elle contiendrait environ 200 milliards d’étoiles et ne créerait seulement qu’une étoile par an. Sa masse (hors celle de la matière noire) est composée à 90 % d’étoiles, environ 10 % de gaz et 0,1 % d’autres corps (poussières, astéroïdes et planètes comme la Terre) et enfin à 0,1 % correspondant à son trou noir central. Celui-ci est 4 milliards de fois plus massif que le
Soleil et nommé Sagittarius A*. Enfin, l’observation du bras d’étoiles Sagittaire nous apprend que la Voie Lactée est en partie le résultat de fusions avec plusieurs petites galaxies. Les modèles astronomiques prévoient également que notre galaxie fusionnera dans quelques milliards d’années avec la galaxie d’Andromède.
Création artistique représentant la Voie Lactée à partir de plusieurs observations. © Akwa/Wikicommons
Comment observer et construire une image de galaxie ?
Avec des techniques de spectroscopie, il est possible d’observer en lumière visible les étoiles et le gaz. En lumière infrarouge, ce sont les poussières interstellaires, provenant essentiellement des résidus d’étoiles mortes, que l’on peut voir par effet de contraste. Cela permet d’étudier l’évolution des galaxies. Plus les galaxies sont lointaines, plus elles sont difficiles à observer précisément.
En programmant un télescope de manière à prendre un cliché avec une très longue exposition à la lumière, on peut aussi voir plus d’étoiles et des petites galaxies moins lumineuses autour d’autres galaxies.
Cela peut paraître contre-intuitif mais plus une galaxie nous apparaît bleue, plus elle est chaude et lumineuse car constituée majoritairement d’étoiles jeunes. Et au contraire, les galaxies qui tendent le plus vers le rouge sont en moyenne composées d’étoiles âgées. En plus de l’âge des étoiles qui les composent, deux autres facteurs vont influer sur la couleur des galaxies: la quantité de poussières (plus il y en a, plus elles tendront vers le rouge) et l’expansion de l’Univers (qui crée un décalage des longueurs d’onde vers le rouge).
Les enjeux de la recherche aujourd’hui et demain
Observer des galaxies de plus en plus distantes permet de voir directement le passé car la lumière qu’elles nous envoient a mis des milliards d’années pour nous atteindre. Les astrophysiciens essayent de trouver les galaxies les plus anciennes afin de comprendre à quelle époque de l’histoire de l’Univers celles-ci se sont formées, si elles sont générées à partir d’un trou noir, comment elles ont évolué au cours du temps, comment elles continuent de former de nouvelles étoiles, etc. Etudier la distribution des galaxies dans le tissu cosmique permet aussi d’en apprendre plus sur l’expansion et la géométrie, courbée ou non, de l’Univers.
Cependant, il subsiste encore des débats sur certaines questions concernant les galaxies et notre Voie Lactée. Par exemple, toute la communauté scientifique est d’accord pour dire que la Voie Lactée est constituée d’un disque mais ne s’accorde pas encore sur son épaisseur. Un autre débat : pourquoi les galaxies ont-elles atteint leur pic d’activité en termes de formation d’étoiles il y a environ 9 milliards d’années ? De même, les chercheurs n’ont toujours pas réussi à trouver les étoiles dites de « première génération. » La communauté scientifique cherche aussi à comprendre quel est le rôle des trous noirs dans la dynamique de l’évolution des galaxies.
De nouveaux télescopes, tels que l’E-ELT (télescope géant européen) au sol et le
JWST (James Webb Space Telescope) dans l’espace, et des missions spatiales comme la
mission Euclid, consacrée à l’étude de l’énergie noire, sont actuellement développés afin de répondre à ces questions. Ils collecteront des données précises sur toutes les longueurs d’onde possibles émises par les galaxies et permettront de découvrir des galaxies plus petites tout en observant avec beaucoup plus de détails celles déjà connues. Ainsi, très récemment, le CEA a dirigé
une collaboration internationale qui a détecté le plus lointain amas de galaxies jamais découvert dans l’Univers.
L’observation de cet amas, dont l’instantané a été pris lorsque l’Univers n’avait « que » 2,5 milliards d’années révèle plusieurs galaxies en pleines « flambées d’étoiles. »
Le saviez-vous ?
L’étude historique des galaxies : un changement d’échelles
Il y a encore très peu de temps dans l’histoire de l’humanité, les scientifiques étaient convaincus que les limites de l’Univers se confondaient avec celles de la Voie Lactée. C’est en 1929 qu’Edwin Hubble a démontré que les « objets nébuleux » observés – c’est ainsi qu’on les appelait à l’époque - étaient en fait d’autres galaxies. Bien que cette découverte n’ait pas provoqué les mêmes réactions qu’à l’époque de Galilée, elle apporte un changement de perspectives considérables car il existe des centaines de milliards de galaxies comprenant chacune des centaines de milliards d’étoiles.