Comment se forment les galaxies, comme la nôtre ?

Les galaxies comme la Voie lactée ont beaucoup changé au fil du temps et changeront encore beaucoup à l’avenir.

Comment se forment les galaxies, comme la nôtre ?
Comment se forment les galaxies, comme la nôtre ?

Par nuit claire, lorsque les conditions sont idéales et qu’il n’y a pas trop de lumière pour obscurcir la vue, le ciel étoilé est un spectacle à couper le souffle. Si vous vivez dans une zone rurale ou si vous faites simplement une pause dans la vie urbaine, vous pouvez voir un ciel rempli d’étoiles.

Vous pouvez même voir une bande de lumière qui traverse le ciel et qui a l’air brumeuse (ou “laiteuse”) par nature. Croyez-le ou non, c’est ainsi que notre galaxie a reçu son nom. Il y a des milliers d’années, des astronomes observant le ciel nocturne ont remarqué cette même bande et ont vu la ressemblance avec la boisson.

Au fil du temps, notre compréhension de la Voie lactée s’est développée. Nous avons réalisé non seulement que la Voie lactée est en fait une énorme collection d’étoiles maintenues ensemble par la gravité, mais aussi qu’elle n’est qu’une parmi des milliards (voire des trillions) d’étoiles dans l’univers.

Les astronomes et les cosmologistes ont fini par se rendre compte que l’univers est d’une ampleur stupéfiante, tant en termes de temps que d’espace. Et si nous ne savons toujours pas jusqu’où s’étend l’univers (ou s’il est infini), nous avons une assez bonne idée de la durée de son existence (environ 13,8 milliards d’années).

C’est pourquoi les astronomes ont consacré beaucoup de temps et d’énergie à chercher aussi loin que possible – à travers l’espace et le temps – pour voir les premières galaxies. Ils espèrent ainsi apprendre comment des galaxies comme la nôtre se sont formées et ont évolué pendant des milliards d’années.

Que sont les galaxies ?

Pour faire simple, les galaxies sont constituées de collections massives d’étoiles, de gaz et de poussière liés par la gravité. Mais tout cela ne représente que la partie des galaxies que nous pouvons détecter parce qu’elles émettent, absorbent ou rayonnent de la lumière.

En outre, les astronomes ont théorisé depuis des décennies que les galaxies contiennent également beaucoup de matière noire, appelée ainsi parce qu’elle est invisible à la détection conventionnelle.

L’étude des galaxies a conduit les astronomes à les regrouper en fonction de leur structure globale. Alors que certaines galaxies se conforment à une forme de base, avec un “bulbe” central et des “bras” s’étendant du centre en tourbillons, les astronomes ont noté plusieurs types de variations.

A partir de là, les astronomes ont développé une classification des galaxies basée sur trois catégories principales. Ce schéma de classification est connu sous le nom de séquence de Hubble, du nom du célèbre astronome américain Edwin Hubble.

Le schéma de Hubble divisait les galaxies régulières en trois grandes classes – elliptiques, lenticulaires, et spirales – en fonction de leur aspect visuel. Une quatrième classe contient des galaxies d’apparence irrégulière.

Tout d’abord, il y a les galaxies spirales comme la Voie lactée, qui sont riches en gaz et en poussière et forment encore des étoiles dans leurs bras. Ensuite, il y a les galaxies elliptiques, qui ont des distributions lumineuses relativement lisses et sans caractéristiques. Ils sont relativement exempts de gaz et de poussière, ont un faible taux de formation d’étoiles, et sont ainsi nommés parce qu’ils ont une structure plus circulaire.

Il existe également des galaxies lenticulaires. Ils se composent d’un bulbe central brillant entouré d’une structure étendue semblable à un disque . Contrairement aux galaxies spirales, les disquess des galaxies à lentille n’ont pas de structure spirale visible et ne forment pas activement des étoiles en grand nombre. Ils incluent Messier 84 et la galaxie Cartwheel.

Séquence de Hubble pour la classification des galaxies
Séquence de Hubble pour la classification des galaxies

Le système de classification de Hubble inclut également les galaxies irrégulières. Il s’agit de galaxies qui n’entrent pas dans la séquence de Hubble car elles n’ont pas une structure régulière. Les nuages de Magellan et M82 en sont des exemples.

Les galaxies peuvent également être classées en fonction de leur taille, qui va de quelques centaines de millions d’étoiles (dans le cas des galaxies naines) à cent trillions d’étoiles (galaxies géantes), chacune gravitant autour du centre de sa galaxie.

Les galaxies “bruyantes” et “silencieuses”.

En dehors de ce schéma, les astronomes font également la distinction entre (1)les galaxies(2)qui ont ce qu’on appelle un noyau galactique actif (NGA) et celles qui n’en ont pas. Un AGN est une région compacte au centre d’une galaxie qui a une luminosité beaucoup plus élevée que la normale. Une grande partie de l’énergie produite par les AGN est non stellaire, et de nombreux AGN sont de puissants émetteurs de rayonnement X, radio, ultraviolet et optique.

Selon une théorie, le rayonnement non stellaire d’un AGN est le résultat de l’accrétion de matière par un trou noir supermassif (SMBH) au centre de sa galaxie hôte. La poussière, le gaz et même les étoiles qui l’entourent tombent alors dans un disque d’accrétionautour du bord extérieur du trou noir (également appelé horizon des événements). Au fil du temps, cette matière est lentement alimentée (accrétée) à la surface du trou noir.

La forte gravité du trou noir provoque une telle accélération de la matière qu’elle commence à émettre une énorme quantité d’énergie électromagnétique et de rayonnement. Celle-ci apparaît dans les gammes de longueurs d’onde suivantes : radio, micro-ondes, infrarouge, optique, ultraviolet, rayons X et rayons gamma.

Les SMBH sont également connus pour leurs champs magnétiques rotatifs, qui interagissent avec leurs disques d’accrétion pour créer de puissants jets magnétiques. La matière de ces jets peut atteindre une fraction de la vitesse de la lumière (c’est-à-dire des vitesses relativistes), ce qui leur permet d’atteindre des centaines de milliers d’années-lumière.

La galaxie M87
La galaxie M87

Les AGN peuvent être divisés en deux catégories en fonction de leurs jets : les noyaux “radio-silencieux” et “radio-fort”. Les AGN radio-silencieux sont ceux dont les émissions radio sont produites par leur disque d’accrétion et leurs jets, tandis que les AGN radio-silencieux présentent des émissions négligeables liées aux jets.

La voie lactée

La voie lactée
La voie lactée

Comme indiqué précédemment, la Voie lactée est une galaxie spirale dont le noyau galactique est relativement inactif. Selon des estimations récentes, la Voie lactée devrait mesurer entre 150 000 et 200 000 années-lumière de diamètre et 1000 années-lumière d’épaisseur.

On estime également qu’elle est peuplée de 100 à 400 milliards d’étoiles et de plus de 100 milliards de planètes. En son centre, d’un diamètre d’environ 10 000 années-lumière, se trouve le bulbe central.

Cette région forme le noyau de notre Voie lactée et est également “barrée”, c’est-à-dire qu’elle contient une structure centrale d’étoiles en forme de barre. La taille de cette barre est contestée, avec des estimations allant de 3 000 à 16 000 années-lumière de diamètre.

Au centre de la Voie lactée se trouve une source radio intense connue sous le nom de Sagittarius A* (prononcé Sagittarius A star). Il s’agirait d’un SMBH de plus de 4 millions de fois la taille de notre Soleil.

Le centre est prolongé par plusieurs bras spiraux contenant des milliards d’étoiles ainsi que du gaz et de la poussière interstellaires. Le nombre exact et la configuration de ces armes font l’objet de débats et évoluent en fonction des nouvelles informations.

Des observations récentes ont suggéré qu’il pourrait y avoir quatre bras spiraux principaux – le bras Scutum-Centaurus, le bras Carina-Sagittarius, les bras Norma et Outer, et les bras Far-3 Kiloparsec et Perseus. Cependant, il est parfois affirmé qu’il n’y a que deux bras principaux, le bras Scotum-Centaurus et le bras Perseus, tandis que les autres bras sont des bras mineurs.

Notre Soleil se trouve près d’un petit bras partiel appelé bras d’Orion ou éperon d’Orion (ou bras d’Orion Cygnus).

L’existence de ces bras a été établie en observant des parties de la Voie lactée et d’autres galaxies – ce n’est pas le résultat d’une observation directe.

Voici un fait intéressant concernant l’observation des galaxies : les astronomes sont en fait capables de déterminer la taille, la structure et la forme de galaxies situées à des millions (ou des milliards) d’années-lumière avec plus de certitude que les nôtres.

Si l’on pouvait comparer le cosmos à une ville et le système solaire à notre propre jardin, on pourrait avoir l’impression que notre propre quartier nous est plus familier que celui de l’autre côté de la ville. Il y a cependant une bonne raison à cela, et cela dépend de notre perspective.

Pour faire simple, le système solaire est encastré dans le disque de la Voie lactée, ce qui rend difficile l’appréciation de ses véritables dimensions. Il est également difficile de voir ce qui se trouve de l’autre côté de la galaxie en raison de l’interférence de la lumière provenant du renflement central.

Récemment, on a également émis l’hypothèse que la Voie lactée était en fait déformée. Vus de côté, les bras de la spirale ressembleraient à un disque plié en forme de S.

À ce jour, aucune mission robotique n’a réussi à voir l’extérieur de la Voie lactée. Par conséquent, toute image que vous voyez d’une galaxie dans son ensemble n’est pas la Voie lactée, ou bien il s’agit d’une impression artistique.

Où est situé le système solaire ?

Position de la Voie lactée
Notre position dans la Voie lactée

Notre Soleil est situé dans le bras d’Orion de la Voie lactée, une région de l’espace qui se trouve entre deux bras principaux de notre galaxie. Elle se trouve à environ 27 000 années-lumière du centre de la galaxie, en orbite autour de celle-ci avec les autres étoiles du disque.

Le Soleil met environ 240 millions d’années pour effectuer une seule orbite dans ce qu’on appelle une année galactique (ou année cosmique). Selon ce calcul, le Soleil a effectué un peu plus de 19 orbites depuis sa formation, il y a environ 4,6 milliards d’années.

D’après son spectre, notre soleil est classé comme une naine jaune de type G, ce qui le rend quelque peu inhabituel par rapport à la population stellaire de notre galaxie. Globalement, environ dix pour cent des étoiles de la Voie lactée sont des naines jaunes, ce qui correspond à environ 20 à 40 milliards d’étoiles semblables au Soleil.

L’étude des galaxies

L’étude des galaxies remonte à plusieurs millénaires, mais les astronomes n’étaient pas pleinement conscients de ce qu’ils observaient avant l’époque moderne. En fait, ce n’est qu’au XVIIe siècle que l’on a compris la véritable nature de notre galaxie, et ce n’est qu’au XIXe siècle que les scientifiques ont compris que notre galaxie était une parmi d’autres.

Le nom “Voie lactée”, appliqué à la bande de lumière centrale du ciel nocturne, est en fait très ancien. Dans la Rome antique, les astronomes l’appelaient “Via Lactea” (latin pour “Voie lactée”), qui était une traduction du mot grec pour “cercle de lait” (“galaxías kýklos”, γαλαξίας κύκλος).

Au fil du temps, les astronomes ont commencé à spéculer que la Voie lactée était en fait constituée d’étoiles concentrées dans une bande étroite. Par exemple, au 13e siècle, l’astronome perse Nasir al-Din al-Tusi a fourni la description suivante dans son livre Tadhkira :

“La Voie lactée, c’est-à-dire la galaxie, est composée d’un très grand nombre de petites étoiles étroitement groupées, qui, en raison de leur concentration et de leur petitesse, apparaissent comme des taches brumeuses. C’est pour cette raison que sa couleur a été comparée à celle du lait.”

En 1610, Galileo Galilei a publié son ouvrage fondamental Sidereus Nuncius (“Le messager des étoiles” en latin), qui comprenait ses descriptions de la lune, du soleil et de Jupiter. Il a également consigné ses observations d’étoiles “nébuleuses” qui figuraient dans le catalogue ptolémaïque.

Les observations de Galilée ont montré que ces objets étaient en fait d’innombrables étoiles, si éloignées qu’elles apparaissaient comme des amas et ne pouvaient être vues à l’œil nu. Ou, comme Galilée l’a décrit, ce sont des “collections d’innombrables étoiles regroupées en amas”.

Tout comme l’approbation par Galilée du modèle héliocentrique de l’univers (dans lequel le Soleil est en orbite autour des planètes), cette révélation a montré que les étoiles sont en fait beaucoup plus éloignées de la Terre qu’on ne le pensait auparavant.

En 1775, le philosophe allemand Emmanuel Kant est allé plus loin et a proposé que la Voie lactée soit une grande collection d’étoiles maintenues ensemble par une gravité mutuelle. Il a également émis l’hypothèse que la galaxie était structurée comme le système solaire, avec les étoiles tournant autour d’un centre commun et aplaties en un disque.

En 1785, l’astronome William Herschel a tenté de cartographier la structure de la Voie lactée afin de révéler sa véritable forme. Malheureusement, ses efforts n’ont pas été couronnés de succès, car de grandes parties sont obscurcies par du gaz et de la poussière.

Un autre développement intéressant à cette époque est la publication du catalogue Messier (1771 à 1781). Cette œuvre a été créée par l’astronome hollandais Charles Messier, qui a commencé à noter les objets “nébuleux” qu’il pensait initialement être des comètes.

À l’époque, les télescopes n’étaient pas assez perfectionnés pour résoudre ces objets – la plupart d’entre eux étaient des amas d’étoiles ou des galaxies lointaines. Au 19e siècle, cependant, des astronomes comme William Henry Smyth (également amiral de la Royal Navy) ont été en mesure d’y distinguer des étoiles individuelles.

Dans les années 1920, l’astronome américain Edwin Hubble a finalement apporté la preuve que les nébuleuses spirales observées dans le ciel étaient en fait d’autres galaxies. Cette découverte a également conduit les astronomes à conclure à la véritable forme de la Voie lactée (c’est-à-dire une galaxie barrée et spirale).

C’est également Hubble qui a prouvé que la plupart des galaxies s’éloignent en fait de la nôtre. Cela a permis de réaliser que l’univers est en expansion. Le taux d’expansion est connu sous le nom de constante de Hubble, en l’honneur de la découverte de Hubble.

Cette découverte changerait radicalement notre perception de l’univers et conduirait à des théories telles que le Big Bang et l’énergie sombre. Avec l’avènement de l’ère spatiale, notre connaissance de l’univers et des galaxies s’est considérablement accrue.

Les télescopes spatiaux, par exemple, sont capables d’observer des objets lointains sans perturbations atmosphériques. Les observatoires terrestres ont également connu des progrès considérables grâce à l’amélioration des instruments, des méthodes et de l’échange de données.

Les premières galaxies

Selon les modèles cosmologiques les plus largement acceptés, les premières étoiles se sont formées lorsque l’univers n’avait que 100 millions d’années (il y a environ 13,7 milliards d’années). Environ 1 milliard d’années après le big bag, ces étoiles et autres matières baryoniques ont commencé à se condenser avec des halos de matière noire et à former les premières galaxies.

Au cours des quelques milliards d’années qui ont suivi, les régions les plus denses de l’univers ont été attirées les unes vers les autres par la gravitation. C’est ce qu’on a appelé l’époque structurale, lorsque la structure à grande échelle de l’univers a commencé à se former.

On pense que des éléments tels que les amas globulaires, les bulbes galactiques, les SMBH et d’autres structures cosmiques se sont formés pendant cette période. Des étoiles, de la poussière et du gaz sont également tombés dans des structures en forme de disque autour des bulbes centraux, et d’autres matériaux ont été ajoutés à partir de nuages intergalactiques et de galaxies naines.

On pense que la formation des SMBHs a joué un rôle clé dans la régulation de la croissance des galaxies en limitant la quantité de matière ajoutée. Ils ont également influencé le taux de formation des étoiles, car les galaxies ont connu une explosion de formation d’étoiles avant leur apparition.

Selon la théorie, lorsque les premières étoiles ont commencé à s’éteindre, elles ont libéré des éléments plus lourds dans le milieu interstellaire. Par conséquent, les générations suivantes d’étoiles sont de plus en plus riches en métaux, ce qui fournit aux astronomes un outil important pour estimer l’âge des étoiles.

Au fil du temps, cela a augmenté l’abondance des éléments lourds dans les galaxies, permettant probablement la formation de planètes et de lunes, tandis que le reste de la matière est devenu des astéroïdes et des comètes qui ont formé des ceintures autour de leurs étoiles.

Comment ont-ils évolué depuis lors ?

Grâce aux études menées par des télescopes spatiaux comme Hubble et des observatoires terrestres comme Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), les astronomes ont pu voir à quoi ressemblaient les galaxies il y a des milliards d’années.

Ceci, combiné à des observations plus récentes, a donné aux astronomes une bonne idée de la façon dont les galaxies ont changé au fil du temps. Par exemple, les premières galaxies semblaient avoir une forme elliptique et étaient plus petites. Au fil du temps, les fusions galactiques ont entraîné la croissance et la complexification des galaxies.

On pense que l’afflux de matière a progressivement provoqué une accélération de leur rotation. Dans le cas de la Voie lactée, de nombreux astronomes en sont venus à penser que les fusions avec des galaxies naines étaient assez courantes – et que ce processus est toujours en cours.

En fait, la galaxie la plus proche de la nôtre est la galaxie naine Canis Major, qui se trouve à une distance d’environ 25 000 années-lumière de notre système solaire et à 42 000 années-lumière du centre de la Voie lactée. Jusqu’à récemment, les astronomes ignoraient son existence car elle était masquée par la poussière cosmique.

Cependant, en 2003, une équipe internationale d’astronomes l’a découvert dans le cadre du Two Micron All Sky Survey (2MASS) Infrared survey. Certains astronomes pensent que la galaxie naine est en train d’être séparée par le champ gravitationnel de la Voie lactée, plus massive. La perturbation de marée entraîne un long filament d’étoiles derrière lui lorsqu’il tourne autour de la Voie lactée, formant une structure complexe en forme d’anneau parfois appelée anneau monocéros qui fait trois fois le tour de notre galaxie.

Pendant près de 9 milliards d’années après le Big Bang, on pense que la force d’attraction gravitationnelle mutuelle a prévalu et que, par conséquent, le cosmos s’est étendu très lentement. Par conséquent, les fusions galactiques ont pu être très fréquentes au cours des premiers milliards d’années qui ont suivi le Big Bang.

Cependant, l’expansion du cosmos a fini par éloigner de plus en plus les galaxies les unes des autres ; c’est à ce moment-là, selon l’hypothèse, que l’influence de l’énergie sombre a commencé à se faire sentir.

Beaucoup pensent que c’est la raison de l’époque de l’accélération cosmique (il y a environ 5 milliards d’années), lorsque le cosmos a commencé à s’étendre de plus en plus vite. À ce stade, les fusions galactiques sont devenues beaucoup plus rares, mais le processus est toujours connu… et nous arrivera !

L’avenir de notre galaxie et du cosmos

Comme Hubble l’a observé, la grande majorité des galaxies voisines s’éloignent de la nôtre. Cependant, il y en a deux qui se rapprochent de nous : les galaxies voisines Andromède (également connue sous le nom de Messier 31) et Triangulum (Messier 33).

Selon les estimations actuelles, la Voie lactée et la galaxie d’Andromède se rapprochent l’une de l’autre à une vitesse de 130 km/s environ. À cette vitesse, ils entreront en collision dans environ 4,5 milliards d’années.

Si cela se produit, ils pourraient former une galaxie elliptique ou lenticulaire géante (surnommée “Milkomeda” ou “Milkdromeda”). Les perturbations dues aux marées provoquées par la fusion pourraient entraîner l’éjection de certaines étoiles et la fusion de SMBHs.

On ne sait pas comment cela va affecter le système solaire. Cependant, on pense que d’ici là, notre Soleil aura épuisé son combustible hydrogène et sera devenu une géante rouge 8) – ce qui l’amènera à se dilater et à engloutir la Terre et peut-être tout le système solaire.

On pense que ces types de fusions deviennent plus rares à mesure que le cosmos continue de s’étendre et que les galaxies sont de plus en plus éloignées les unes des autres. Les galaxies de l’univers finiront par devenir plus sombres et plus rouges à mesure que les étoiles à courte durée de vie disparaîtront.

Ces étoiles vont des géantes et supergéantes bleues (types O et B) aux étoiles naines jaunes et orange (types G et K), en passant par les étoiles bleues et blanches (types A et F). À terme, il ne restera plus que des naines rouges de type M, dont la durée de vie naturelle est la plus longue (jusqu’à 10 000 milliards d’années).

À un moment donné, les galaxies seront si éloignées les unes des autres que toutes les formes de vie intelligentes de la Voie lactée ne seront plus en mesure de voir d’autres galaxies. Il en va de même pour les habitants de toutes les autres galaxies, qui regardent le ciel nocturne et ne voient que de faibles étoiles rouges.

À terme, les galaxies elles-mêmes mourront lorsque les dernières étoiles se désintègreront et que l’univers entier s’obscurcira. Heureusement pour nous, cela n’arrivera pas avant des billions d’années. À ce moment-là, l’humanité aura disparu ou aura évolué bien au-delà de tout ce qui pourrait être appelé humain.