En observant le ciel nocturne sombre, vous voyez des étoiles éparpillées dans toutes les directions. Il peut y en avoir un peu plus ici que là, mais en général, les étoiles sont réparties plus ou moins uniformément sur le ciel nocturne.

Cependant, si vous vous trouvez dans un endroit particulièrement sombre, vous verrez une faible bande de lumière à travers le ciel. Et si vous deviez pointer un télescope dans la direction de cette bande, vous verriez beaucoup beaucoup plus d’étoiles.

Le scientifique italien Galileo Galilei a été le premier à le faire, confirmant ainsi la croyance vieille de plus de 2 000 ans selon laquelle cette bande, appelée depuis des millénaires la « Voie lactée » du grec galaxías kýklos, était composée d’innombrables étoiles lointaines.

L’idée a commencé à se former que le système solaire était situé dans un amas aplati d’étoiles car en regardant le long de ce « disque », on voit une abondance d’étoiles, alors qu’on en voit moins quand on s’éloigne du disque.

En plus des étoiles, on a vu un certain nombre de taches floues dont on a d’abord pensé qu’elles se trouvaient à l’intérieur de la voie lactée. Les gens croyaient simplement que la Voie lactée était tout ce qui existait – c’était l’Univers entier. Cependant, le philosophe allemand Emmanuel Kant a proposé que la Voie lactée était simplement notre Univers, tandis que les taches floues – ou nébuleuses – étaient des « univers insulaires » lointains, très éloignés du nôtre.

À cette époque, ces pensées n’étaient que des spéculations, mais avec l’introduction de la caméra et des grands télescopes, les astronomes ont réalisé, il y a tout juste 100 ans, que notre galaxie – que l’on appelle aujourd’hui les univers insulaires – n’est qu’une parmi un nombre apparemment infini d’amas d’étoiles en orbite les unes autour des autres et maintenues ensemble par la force de gravité.

Alors que la distance entre les étoiles à l’intérieur d’une galaxie est généralement de quelques années-lumière, les distances entre les galaxies sont mesurées en millions d’années-lumière. Entre les galaxies, il n’y a pratiquement rien – environ 1 atome par mètre cube.

Les plus petites galaxies accueillent quelques millions d’étoiles, tandis que les plus grandes en comprennent des trillions. La Voie lactée, qui peut être considérée comme une galaxie typique, contient quelques centaines de milliards d’étoiles.

Dans cet article, j’expliquerai ce qu’est une galaxie, de quoi elle est faite et quelles sont les différentes sortes qui existent. Dans un article ultérieur de ScienceNordic, nous examinerons comment les galaxies ont été créées en premier lieu.

De quoi sont faites les galaxies ?

Cinq ou six choses peuvent être pointées comme étant le bloc de construction des galaxies : les étoiles, le gaz, la poussière, les trous noirs super-massifs, la matière noire et, peut-être, les planètes.

Les étoiles, comme souligné ci-dessus, sont abondantes. Les étoiles vivent longtemps, mais pas éternellement. Lorsqu’elles épuisent leur combustible et meurent, elles laissent derrière elles des naines blanches, des étoiles à neutrons ou des trous noirs.

Mais, bien qu’en général ce soient les étoiles qui nous permettent de voir les galaxies, elles ne représentent en fait qu’une petite fraction de la masse totale de la galaxie.

Les étoiles sont faites de gaz, mais entre les étoiles – dans ce qu’on appelle le milieu interstellaire – de grandes quantités de gaz résident également.

Dans les petites galaxies, il peut y avoir autant de gaz interstellaire que de gaz stellaire, tandis que la fraction diminue avec la taille de la galaxie.

Le milieu interstellaire est divisé en différentes phases. Certaines régions sont diffuses et extrêmement chaudes, avec des températures de plusieurs millions de degrés. Dans ces régions, le gaz est ionisé, ce qui signifie que la plupart des atomes ont eu un ou plusieurs électrons arrachés en raison de la température élevée.

D’autres régions sont plus denses et plus froides, autour de 10 000 K.

Plus le gaz est chaud, plus la pression est élevée, et plus il se dilate (c’est le même mécanisme qui fait monter une montgolfière).

A l’inverse, si le gaz se refroidit considérablement (jusqu’à environ 100 degrés Kelvin, ou -170 °C), des nuages moléculaires très denses et froids se forment. C’est là que se forment les nouvelles étoiles !

Dans le Big Bang, pratiquement seuls les atomes d’hydrogène et d’hélium ont été créés, ce dont j’ai parlé plus en détail dans l’article Le Big Bang – un témoignage.

Mais lorsque les étoiles se consument et meurent, elles renvoient une partie de leur gaz dans le milieu interstellaire – sauf que maintenant, il est pollué par des éléments plus lourds (que les astronomes généralisent affectueusement en les appelant tous « métaux », bien que cela puisse sembler discordant aux chimistes).

Aujourd’hui, environ deux pour cent de la masse totale de gaz ont été transformés en métaux, et environ un tiers de ces métaux se sont agglutinés sous forme de poussière.

Les planètes – une fraction négligeable de la galaxie

Lorsqu’une étoile naît, un disque de gaz et de poussière se forme autour d’elle. Les poussières peuvent s’agglutiner, formant des roches qui, à leur tour, donnent des roches plus grosses qui peuvent finir par devenir des planètes.

Dans le bilan de masse total, les planètes jouent un rôle dérisoire, mais elles sont probablement nécessaires à l’existence de la vie, donc elles sont tout de même assez excitantes.

Depuis la découverte des premières planètes en dehors de notre système solaire, il y a à peine 25 ans, il est devenu évident que la plupart des étoiles ont des planètes. Nous connaissons maintenant plus de 4 000 exoplanètes (c’est-à-dire des planètes orbitant autour d’autres étoiles que notre Soleil).

Troupes noirs supermassifs et matière noire

Au centre de la plupart des galaxies réside un « trou noir supermassif ». Ces trous noirs peuvent peser des millions ou des milliards de fois la masse du Soleil (en astronomie, tout est tellement massif que mesurer les choses en grammes ou en kilogrammes devient peu pratique, donc à la place nous utilisons les masses solaires, ce qui correspond approximativement à deux milliards de milliards de trillions de kilogrammes).

Sur le plan de la gravité, leur contribution est plutôt insignifiante par rapport au reste de la galaxie, mais pendant un certain temps, le noir peut générer un ‘noyau galactique actif’, ou un quasar, qui peut souffler une partie substantielle de la matière de la galaxie.

Parfois, ces quasars peuvent évacuer la galaxie de gaz au point d’éteindre la formation de nouvelles étoiles.

Cependant, ce dont nous avons entendu parler jusqu’à présent ne représente qu’environ 1/6 de la masse totale. La majorité de la masse d’une galaxie est en fait quelque chose de complètement différent, à savoir la matière noire.

La matière noire diffère de la matière « normale » en ce qu’elle n’interagit que gravitationnellement. Cela signifie qu’elle n’est pas affectée par, ni n’exerce, de forces électromagnétiques ou nucléaires, donc elle ne peut pas émettre de lumière, et elle ne peut pas entrer en collision avec d’autres choses.

C’est exactement parce qu’elle n’émet pas de lumière que nous l’appelons matière noire. Nous ne pouvons pas la voir ; nous ne voyons que l’effet qu’elle a sur les choses que nous pouvons voir, car elle interagit gravitationnellement avec la matière lumineuse.

La matière normale peut se refroidir et devenir une galaxie dense, mais la matière noire a plus de mal à s’agglutiner, et est donc située dans un « halo » beaucoup plus grand autour de la partie visible de la galaxie.

Ainsi, ce que nous voyons comme une galaxie n’est en fait qu’une fraction de ce qu’est réellement une galaxie. Cette figure montre les dimensions approximatives des composants de la Voie lactée.

Zoo des galaxies

Les galaxies ont des formes et des apparences variées, mais en général, on peut les organiser en trois classes :

1. Galaxies spirales
2. Galaxies elliptiques
3. Galaxies irrégulières

Toutes ces classes ont cependant des sous-groupes, et certaines galaxies sont même un peu hors catégorie.

L’apparence d’une galaxie est appelée sa morphologie. Si nous voulons étudier l’évolution des galaxies, il est pratique de les classer en fonction de leur type, mais bien souvent, la façon dont vous classeriez une galaxie sur le plan morphologique est un peu subjective, car il n’y a pas de frontières claires entre les différents types.

Si vous voulez aider les astronomes à classer les galaxies, vous pouvez visiter galaxyzoo.org et nous aider à décider.

L’année dernière encore, les résultats de cet astro-crowdsourcing ont conduit les astronomes à réviser notre compréhension du comportement des bras des galaxies spirales (voir cette vidéo pour faire le point).

Mais regardons de plus près les différents types de galaxies.

Les magnifiques galaxies spirales

À mon avis, les galaxies spirales sont les plus belles. Caractérisées par un « bulbe » central rougeâtre et un certain nombre de bras spiraux bleuâtres disposés dans un disque plat, elles tournent majestueusement avec des périodes de quelques 100 millions d’années.

Les bras spiraux ne contiennent qu’environ 2 à 3 fois plus d’étoiles qu’entre eux, mais comme la formation active d’étoiles a lieu dans ces régions, elles sont beaucoup plus brillantes. Parce que les étoiles massives – qui brillent d’une lumière bleue mais se consument rapidement – sont toujours là, les bras apparaissent bleus.

Environ deux tiers des galaxies spirales ont une structure en forme de barre qui s’étend depuis le bulbe. La barre est probablement une sorte d’onde de densité, comme le sont les bras spiraux, capable d' »aspirer » le gaz des bras spiraux environnants, qui peut ensuite être utilisé pour former de nouvelles étoiles.

Ce gaz peut également alimenter un trou noir supermassif au centre de la galaxie, la faisant se transformer en noyau galactique actif ou en quasar.

Géantes de l’Univers : Galaxies elliptiques

Les galaxies elliptiques sont, selon nous, le résultat de la fusion de nombreuses (proto-) galaxies plus petites. Au cours de ces collisions, le taux de formation d’étoiles augmente d’abord de façon spectaculaire et nous voyons une ou plusieurs « explosions d’étoiles ».

La violente formation d’étoiles peut épuiser la plupart du gaz en une seule fois. La collision elle-même ainsi que les vents stellaires et les supernovae soufflent le reste du gaz, de sorte que la formation de nouvelles étoiles devient difficile. Ainsi, il ne reste que les vieilles étoiles, et comme les vieilles étoiles sont rouges-orangées, c’est la couleur de la plupart des galaxies elliptiques.

C’est ainsi que ce qu’on appelle l’extinction laisse derrière elle une galaxie rouge et  » morte « .

Les plus grandes galaxies de l’Univers sont elliptiques, avec des masses pouvant atteindre dix fois celle de la Voie lactée. Ces monstres galactiques résident souvent au centre de grands amas de galaxies, c’est-à-dire des collections de centaines ou de milliers de galaxies, maintenues ensemble par la gravité.

… et puis il y a tous les autres types de galaxies

Certaines galaxies, en particulier les plus petites, ne sont ni elliptiques ni discoïdes, mais ont une forme complètement différente. Ces galaxies sont appelées galaxies irrégulières.

La forme irrégulière est souvent due à des collisions, ou à des quasi-collisions, avec d’autres galaxies.

Les galaxies irrégulières sont généralement petites, car les galaxies plus grandes sont mieux équipées pour résister aux secousses et aux remous des autres galaxies.

Un autre type est celui des galaxies lenticulaires, une sorte de combinaison entre les elliptiques et les spirales : Elles présentent une certaine structure spirale, mais aussi un halo elliptique clair.

Plus une galaxie est grande et massive, moins elle est commune. La plupart des galaxies sont donc des galaxies naines, que l’on peut ensuite classer en spirales naines, elliptiques naines, irrégulières naines et sphéroïdales naines.

Les galaxies annulaires ont un bulbe tout comme les galaxies spirales, et une structure en anneau stellaire plus importante. Elles pourraient s’être formées par à une autre galaxie volant tout droit à travers une galaxie spirale, mais elles sont très rares et donc pas trop bien étudiées.

Récemment, les astronomes ont trouvé la plus éloignée jusqu’à présent de ces galaxies étranges avec des preuves d’un « hit-and-run » cosmique ayant eu lieu il y a 11 milliards d’années.

Comment ces amas énigmatiques d’étoiles, de gaz, de poussière et de matière noire ont été créés en premier lieu est une histoire plus longue, que vous pourrez lire dans un article de suivi ici sur ScienceNordic.

Lisez la version danoise sur Forskerzonen de Videnskab.dk. Merci à Guarn Nissen pour les suggestions et les révisions pendant ma traduction du texte du danois à l’anglais.

Profil de Peter Laursen (Institut Niels Bohr, Université de Copenhague)

Page d’accueil de Peter Laursen

‘The Evolving Interstellar Medium of Star-forming Galaxies since z = 2 as Probed by Their Infrared Spectral Energy Distributions’, The Astrophysical Journal (2012), DOI : 10.1088/0004-637X/760/1/6

‘The dust-to-gas and dust-to-metal ratio in galaxies from z = 0 to 6’, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (2019), DOI : 10.1093/mnras/stz2684

‘Galaxy Zoo : unwinding the winding problem – les observations de la proéminence du bulbe spiral et des angles de pas des bras suggèrent que les galaxies spirales locales s’enroulent’, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (2019), DOI : 10.1093/mnras/stz1153

‘Tracing the Stellar Mass in M51’, Astrophysical Journal (1993), DOI : 10.1086/173376

‘A giant galaxy in the young Universe with a massive ring’, Nature Astronomy (2020), DOI : 10.1038/s41550-020-1102-7

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