Si nous pouvions voyager loin de notre galaxie, elle nous apparaîtrait sans doute comme un disque possédant des bras spiraux entourant son cœur. Mais nous ne pouvons observer ces bras que de l'intérieur de la galaxie et la forme exacte de la Voie Lactée nous échappe encore.

Depuis des décennies, les astronomes utilisent diverses méthodes pour caractériser sa structure et leurs observations tendent à qualifier la Voie Lactée de galaxie spirale « de grand style » (grand design), dotée comme Messier 81 de longs et fins bras spiraux.

Pour approfondir cette question, des astrophysiciens ont étudié une section d'un des quatre bras spiraux de notre galaxie – le bras de Persée, ainsi dénommé en raison de sa proximité apparente avec la Constellation de Persée, mais qui se trouve réellement proche du Soleil.

Ils se sont attachés à déterminer les positions relatives des objets présents dans cette section (étoiles et nuages interstellaires) par deux approches.

La première – la plus classique – consiste à mesurer la position dans le ciel et la vitesse par rapport à nous des étoiles et des nuages interstellaires et d'en déduire leur distance. Mais elle repose sur l'hypothèse que ces objets célestes tournent régulièrement autour du centre de la Voie Lactée et les mouvements aléatoires et turbulents de la matière sont faibles.

La seconde approche consiste à mesurer directement les distances des étoiles en utilisant la parallaxe entre deux observations successives, pour deux positions opposées de la Terre par rapport au Soleil. Elle a été mise en œuvre récemment à l'aide d'observations du satellite européen Gaia, consacré à l'astrométrie. Les scientifiques ont combiné ces résultats à des mesures d' « extinction » des mêmes étoiles, issues de grands catalogues : il s'agit de données spectrométriques qui révèlent la présence de poussières interstellaires et permettent de mesurer la quantité de matière interstellaire entre nous et chaque étoile.

Les astrophysiciens ont ainsi pu reconstruire la structure tridimensionnelle du milieu interstellaire dans le voisinage du Soleil, jusqu'à des distances de 6.000 à 10.000 années-lumière.

En combinant cette information 3D de la structure du milieu interstellaire et un catalogue de nuages moléculaires pour lesquels la vitesse de la matière est connue, ils ont pu étudier en détail le lien entre la structure apparente du bras de Persée déduite de la rotation galactique et sa véritable structure en trois dimensions.

Bien que les nuages moléculaires semblent dessiner un bras en spirale lorsqu'on déduit leur distance de leur vitesse apparente, l'étude révèle que leur distribution est en réalité beaucoup plus éclatée, au point qu'il est difficile d'identifier le bras de Persée lui-même.

En effet, dans cette partie du plan galactique, les 81 nuages moléculaires étudiés ne sont pas concentrés à la distance attendue du bras de Persée. Ils sont plutôt répartis sur une distance de plus de 10.000 années-lumière. Dans sa partie externe, la Voie Lactée pourrait ainsi donc ressembler davantage à Messier 83 avec ses bras spiraux courts et fragmentés qu'à Messier 81.

La méthode utilisée pourrait être généralisée à un plus grand volume galactique et révéler plus précisément la structure réelle de notre galaxie.