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Les Galaxies

Par définition, une galaxie est un rassemblement de matière, principalement des étoiles, autogravitant et isolé dans l'espace. Elles forment un des principaux composants de l'univers et sont rassemblées en amas, eux mêmes rassemblés en superamas. Des étoiles y naissent et d'autres y meurent. C'est la force de gravité qui assure leur cohésion. Elles sont classées en fonction de leur morphologie. Pour cela on utilise essentiellement la classification de Hubble comme ci-dessous. On peut voir que les spirales se divisent en deux groupes selons qu'elles sont "barrées" ou pas.

Les galaxies elliptiques sont des systèmes sphéroidaux plus ou moins aplatis et composés principalement de vieilles étoiles. Les lenticulaires sont proches des elliptiques, à l'exception de leur région centrale, et sont également composées d'étoiles très âgées. Les irrégulières sont ainsi nommées car elles n'ont pas de structure bien définie. Leur taille est presque toujours inférieure aux autres galaxies. C'est le cas par exemple, des nuages de Magellan, très proches de la Voie Lactée. Enfin les spirales sont les plus nombreuses et correspondent à des systèmes plus ou moins complexes constitués d'un bulbe central, d'un halo sphérique (de faible brillance) et d'un disque d'étoiles formant des bras spiraux. Notre Galaxie "la Voie Lactée" est de ce type (à noter que lorsque l'on désigne notre Galaxie, on écrit avec un G majuscule). Notre système solaire est situé à environ 24 000 années-lumière du centre de la Galaxie et tourne autour de celui-ci en environ 220 km/s. Grâce aux observations effectuées avec de grands instruments au sol et dans l'espace, on sait que la morphologie des galaxies a fortement évoluée au cours de leur formation. Ainsi, lorsqu'elles étaient beaucoup plus jeunes, les galaxies spirales avaient des formes plus irrégulières. Elles comportaient un disque en rotation, mais beaucoup moins homogène et dépourvu de bulbe central. Une galaxie spirale se forme essentiellement par l'évolution interne. A l'inverse, une galaxie elliptique n'acquiert pas sa forme par la seule évolution interne. Il faut un processus plus violent pour détruire l'organisation des disques en rotation, et les transformer en sphéroïdes. Il s'agit des collisions et fusions des galaxies. Des simulations numériques l'ont démontré.

Mais il existe d'autres types de galaxies, plus rares. C'est par exemple les galaxies en "anneau" qui possèdent donc un anneau d'étoiles relativement jeunes situées autour d'un noyau ou d'un bulbe qui renferme des étoiles plus vieilles. D'autres sont appelées "galaxies actives" à cause de leur forte activité nucléaire et de leurs sursauts de formation stellaire. Dans cette catégorie on trouve également des galaxies qui apparaissent comme des objets ponctuels, d'ou leur nom de "quasar" (contraction de quasi star). Eloignés de milliards d'années lumière, les quasars ont un éclat intrinsèque très grand, de 10 à 10 000 fois celui d'une galaxie normale. Ces hautes énergies sont confirmées dans toutes les longueurs d'onde. On trouve aussi les galaxies de "Seyfert" dont le noyau est particulièrement actif, éjectant des nuages d'hydrogène à des vitesses de 2 000 km/s et émettant d'énormes quantités de radiations infrarouges, dont l'intensité peut doubler en quelques mois. Autre type de galaxies, les "radiogalaxies" qui, comme leur nom l'indique sont extrêmement actives dans le domaine radio, tandis que leur contrepartie optique reste souvent à découvrir. Ces objets radio éjectent des gaz et des condensations bleues s'étendant jusqu'à des millions de parsecs.

Galaxie elliptique M 87	Galaxie lenticulaire M 84	Galaxie spirale M 101	Galaxie irrégulière NGC 6822

La lumière des plus lointaines galaxies a mis près de 13 milliards d'années à nous parvenir, soit 95% de l'âge de l'univers. Les scientifiques tentent ainsi de dresser un portrait robot de galaxies type à différents moments de l'histoire pour mieux reconstituer le scénario de leur formation. Pour cela il faut observer le ciel dans toutes les longueurs d'onde du spectre électromagnétique. Ainsi par exemple, les rayons X et gamma montrent des événements très énergétiques, tandis que l'infrarouge montre des cocons de poussière où naissent les étoiles. Dans le mécanisme d'évolution des galaxies, le gaz interstellaire forme des grumeaux dans lesquels naissent des molécules qui vont refroidir ce gaz. Ce dernier s'effondre alors jusqu'à des densité élevées qui créeront des étoiles.

Pour expliquer la formation des galaxies, deux hypothèses s'opposent : Dans la première, des galaxies "naines" ont engendrées, par fusion, des ensembles de plus en plus massifs. Dans la seconde, au contraire, on suppose que les plus grandes structures de l'univers se sont crées en premier pour ensuite se fragmenter. Mais les données actuelles privilégient plutot la première solution. Cependant les astrophysiciens ont constaté que les galaxies les plus massives ont créé leurs étoiles très tôt dans l'histoire de l'univers, ce qui reste énigmatique. D'autre part, plus de 70% du contenu énergétique de l'univers reste de nature inconnue. Cette énergie "noire" semble accélérer l'expansion de l'univers, empêchant la formation de nouveaux amas de galaxies. Autre énigme, sur les 4% de matière baryonique (principalement protons et neutrons) seul un dixième appartient aux étoiles. Alors pourquoi l'essentielle de cette matière est-elle restée sous forme de gaz ? La matière noire galactique, encore assez méconnue, accélère la formation des structures de l'univers, à l'inverse donc de l'énergie noire. Sans elle, il n'est pas possible d'expliquer l'origine des galaxies, car la quantité de "matière standard" ne suffit pas pour décrire la formation des galaxies. On sait également que dans le passé, les galaxies formaient des étoiles à un taux très élevé pouvant atteindre un millier de masses solaires par an. Mais ce taux a fortement chuté après le premier quart de l'âge de l'univers.

Notre Galaxie se modifie constamment. Sa structure actuelle trouve son origine dans le passé. Halo, bulbe, disque, bras spiraux, sont apparus sous l'action de divers mécanismes dont le plus important semble être les collisions et accrétions de petites galaxies. Il est admis qu'au début de son histoire, la "protogalaxie" avait une forme sphérique, et était essentiellement constituée d'hydrogène et d'hélium. Ces gaz comportaient des inégalités de densité, conduisant à la formation d'amas globulaires. Ensuite ils se seraient contractés sous l'effet de la gravitation, favorisant ainsi la formation d'étoiles. Puis la rotation de ce système aplatit la matière en un disque perpendiculaire à l'axe de rotation. Les bras spiraux ont été détectés dès 1958. Ces structures s'enroulent dans le sens de la rotation, plus rapidement vers le centre qu'aux bords. Ces processus seraient cohérents avec un modèle où notre Galaxie serait une "spirale barrée", les orbites décrites par les étoiles et les gaz autour du centre étant alors elliptiques. La Galaxie se modifie également à cause de phénomènes chimiques. Des étoiles produisent des éléments lourds qu'elles rejettent par les vents stellaires, et lors de supernovae. Le milieu interstellaire est donc progressivement enrichi. Sa métallicité, tout comme celle des étoiles, augmente avec le temps. Les étoiles sont d'autant plus riches en métaux, qu'elles se sont formées récemment à partir d'un milieu enrichi. Quant au disque galactique, il est subdivisé en un ensemble de disques peuplés d'étoiles d'âge divers et de matière interstellaire, brillante ou obscure. Les régions gazeuses près du plan galactique, appartiennent à un disque mince et jeune où se forment des étoiles bleues, très chaudes. Les étoiles de plus faible masse peuplent un disque mince et vieux. Les plus vieilles populations caractérisent un disque épais. La matière interstellaire est principalement concentrée dans le disque mince, mais certaines formations de l'hydrogène neutre s'étendent plus loin. Au bord de la Galaxie, les nuages HI apparaissent "gauchis", avec une déviation allant jusqu'à 15° par rapport au plan galactique. Au-delà du disque, la radioastronomie a permis de détecter de grands nuages d'hydrogène extrêmement ténus, et qui tombent sur la Galaxie. Le bulbe est la partie la plus dense de la Galaxie, mais les objets y sont cachés par la poussière interstellaire. Au contraire, le halo est peu dense, et essentiellement composé d'amas globulaires (AG) dont les plus âgés ont entre 12 et 15 milliards d'années. Ils se composent de plusieurs milliers d'étoiles vieilles. On en répertorie environ 150 mais il est probable que leur nombre est plus important. Dans le disque galactique on rencontre d'autres amas stellaires qui présentent une structure éparse. Ce sont les "amas ouverts" (AO).

AG M 13 dans Hercule	AO Double amas de Persée

Le modèle de formation des galaxies et des amas de galaxies, au sein des grandes structures, repose sur le concept d'"effondrement hiérarchique". Quand un grumeau de matière devient suffisamment dense, il s'effondre sur lui-même, se découplant de l'expansion. Les petites surdensités s'effondrent d'abord, aboutissant à la formation des premières étoiles et galaxies. Les premiers groupes de galaxies apparaissent plus tard, vers un décalage spectral d'environ 2 (puisque l'univers est en expansion, les sources lumineuses s'éloignent de l'observateur, et leur fréquence détectée semblent diminuer avec le temps. Le spectre d'émission d'un objet est donc d'autant plus décalé vers les basses énergies qu'il en est éloigné, c'est à dire que sa lumière est ancienne. Ce décalage spectral est noté z). Depuis cette époque, les amas se forment et grossissent par accrétion continue de matière environnante, et par fusion occasionnelle d'amas entre eux. Les ams de galaxies sont ainsi la manifestation la plus récente de cette formation hiérarchique des structures.

Le satellite Herschel lancé le 14 mai 2009 par une fusée Ariane 5, nous a apporté beaucoup d'indications à propos des premières phases de la formation des étoiles, ainsi que sur les principales époques d'assemblage des galaxies. Il s'agissait d'un télescope doté de nombreux instruments tels que photomètres imageur et spectromètres. L'Agence spatiale européenne en est le maître d'ouvrage.

Quelques données sur la "Voie Lactée", notre Galaxie :