DE L'ASTRONOMIE : les galaxies

 le catalogue de Messier

     Je me souviens parfaitement de ma classe de quatrième et de ce moment privilégié du lycée (à l’époque, on appelait lycées les établissements allant jusqu’au bac, le terme de collège étant réservé à ceux qui s’arrêtaient en classe de troisième), ce moment de plaisir intense que représentait la « grande » récréation d’après la cantine. Puisque nous avions quartier libre jusqu’à deux heures de l’après-midi, nous nous retrouvions souvent entre amateurs d’astronomie pour commenter les dernières nouvelles du ciel, glanées au hasard d’une quelconque revue de vulgarisation.

     Il y avait là deux groupes antagonistes (la vérité m’oblige toutefois à reconnaître que les protagonistes n’étaient pas très nombreux), groupes qui s’opposaient entre autres sur un sujet fort polémique : la création de l’Univers. Rien que ça ! Les uns, suivant Fred Hoyle, étaient les tenants de « l’univers stationnaire » tandis que les autres se rangeaient, avec Hubble, à l’idée d’un « univers en expansion ». Nous ne faisions, probablement sans le savoir, que refléter à notre minuscule échelle les débats très animés qui agitaient le petit monde de l'astronomie. Il faut dire que la question n'était pas encore tranchée puisque la découverte du rayonnement fossile de Penzias et Wilson (voir l’article fonds diffus cosmologique) n’eut lieu qu’en 1964, découverte qui permit d’asseoir définitivement (?) la théorie du Big Bang. S’opposaient donc la théorie d’un univers statique et quasi éternel où les créations d’étoiles équilibraient exactement la mort des plus anciennes et celle d’un univers en expansion continue, issu d’un noyau originel, et pour lequel il n’était pas clairement précisé s’il y avait ou non élaboration significative de nouvelles étoiles.

     Aujourd’hui l’expansion de l’Univers n’est plus remise en question : on sait même qu’elle va en s’accélérant… Toutefois, Hoyle et ses partisans n’avaient pas complètement tort puisqu’il existe bien une création importante et continue des étoiles, du moins dans certaines galaxies. Car les étoiles sont, on le sait, regroupées dans l’Univers au sein de milliards de galaxies séparées par un vide quasi-absolu et c’est sur ces objets immenses - les « univers-îles » soupçonnés par le philosophe allemand Emmanuel Kant - que je souhaite revenir maintenant. 
 

nébuleuses et univers-îles

     Depuis toujours, lorsque l’on observait le ciel, en dehors du Soleil et de ses planètes, trois types différents d’objets étaient identifiables : les étoiles, les comètes (repérables par leurs mouvements) et des objets flous aux contours imprécis qu’on appelait nébuleuses. Il faudra attendre le XVIIème siècle et la lunette de Galilée pour que celui-ci, en 1610, observant la Voie lactée, y distingue de très nombreuses étoiles, faiblement lumineuses… La Voie lactée, c’est à dire notre propre galaxie, n’était donc plus cette traînée blanchâtre – le lait céleste des anciens – aux contours diffus : la gigantesque nébuleuse étaient composée d’étoiles. 

     Un peu moins de 150 ans plus tard, en 1755, dans son traité « Histoire universelle de la nature et théorie du ciel », le philosophe Emmanuel Kant (1724-1804) imagina que notre galaxie était vraisemblablement un corps en rotation et que c’était la gravitation qui liait entre elles toutes les étoiles la composant. C’était un éclair de génie prémonitoire d’autant que Kant proposa dans la foulée que les nébuleuses multiples observées ça et là étaient des galaxies – il les appelait des univers-îles – extérieures à la nôtre. L’idée fit sourire et on n’y attacha pas plus d’importance, d’autant qu’il était bien difficile de faire la preuve de cette affirmation. 

     On se contenta donc de cartographier les nébuleuses, de les répertorier, de les nommer, le plus souvent afin de ne pas les confondre avec les comètes. Messier puis Herschel bâtirent des catalogues encore utilisés aujourd’hui jusqu’à ce que, un siècle après Kant, William Parsons construise un télescope qui démontra sans erreur que, mais oui, certaines de ces nébuleuses étaient composées d’étoiles. Toutefois, pas question d’imaginer que ces « nébuleuses d’étoiles » soient situées en dehors de notre galaxie qui restait « l’Univers » dans tout entier. Un relent d’anthropocentrisme ? (voir sujet : Terre, centre du Monde) 

     C’est Edwin Hubble qui mettra fin à la polémique en 1924 en démontrant que certaines nébuleuses sont extérieures à la Voie lactée, ses travaux étant confortés par Henrietta Leavitt et son recours aux céphéides (voir sujet céphéides) pour calculer leurs distances. Précisons pour être complets que les nébuleuses intérieures à la Voie lactée n’ont évidemment rien à voir avec une quelconque galaxie et sont d’origines diverses : amas globulaires, nébuleuses planétaires, nuages de gaz, etc.

     Des galaxies, en tout cas, il y en a beaucoup : les calculs statistiques montrent que le nombre de galaxies observables dans l’univers visible est d’environ cent milliards ! Moins d’une centaine de millions d’entre elles ont été à ce jour photographiées et on imagine aisément le temps qu’il faudrait pour les enregistrer toutes : certainement plusieurs siècles… 
 

 
origine et composition des galaxies

     Elles proviennent toutes du nuage primordial issu du Big Bang. Sous l’effet des pressions considérables et de la gravitation, le gaz s’est aggloméré pour former des milliards d’étoiles regroupées dans les galaxies qui, du fait de l’expansion de l’Univers, ont commencé à s’éloigner les unes des autres. Du moins lorsqu’elles sont déjà suffisamment lointaines car, proches les unes des autres, elles restent liées dans ce que l’on appelle des amas (voir glossaire) : c’est le cas de notre galaxie qui se trouve dans un amas appelé le groupe local comprenant également la grande galaxie d’Andromède. Dans ce cas particulier, les galaxies ont au contraire la propriété de s’attirer et on estime qu’Andromède se heurtera à notre propre Voie lactée dans deux à trois milliards d’années.

     Pour le reste, c’est à dire l’essentiel, elles s’éloignent et c’est précisément ce qu’a démontré Hubble en étudiant les spectres des galaxies (extérieures au groupe local) qui invariablement tirent vers le rouge (redshift), effet Doppler oblige. 

     Depuis le Big Bang, il y a 13,7 milliards d’années, bien des choses ont changé et ce ne sont plus tout à fait les mêmes étoiles qui composent les galaxies. La première génération d’étoiles supergéantes - dites étoiles primordiales - a depuis longtemps disparu : la durée de vie assez courte de ces étoiles explique le phénomène (notons à l’inverse que ce n’est pas le cas général puisque les « petites » naines rouges peuvent vivre jusqu’à 100 milliards d’années). On comprend donc que les générations postérieures d’étoiles incorporent des métaux qui ne peuvent provenir que de leurs ancêtres, ces supergéantes qui ont modifié la composition du ciel pour le faire tel qu’il est de nos jours… De plus amples informations sur ces étoiles très particulières sont accessibles dans le sujet qui leur est consacré : les étoiles primordiales.

     Lorsqu’on observe les galaxies lointaines, on voit en réalité le passé. Une galaxie située à, disons, un milliard d’années-lumière (al) de nous est visible telle qu’elle était il y a un milliard d’années, temps qu’a mis sa lumière à nous parvenir. Une époque où elle était plus jeune et fabriquait théoriquement plus d’étoiles. Est-ce à dire qu’aujourd’hui il ne naît plus d’étoiles ? Qu’en est-il de notre galaxie ? Avant de répondre à cette question, il faut revenir sur les différents types de galaxies observables. 

 

classification des galaxies

  
     Les astronomes savent depuis le début de leur observation réelle des galaxies qu’elles ne sont pas toutes identiques. Elles diffèrent évidemment par leurs tailles mais également par leur aspect ; on décrit quatre types différents de galaxies, à savoir :

  

          * les spirales

     La Voie lactée appartient à ce groupe, tout comme sa voisine dans le groupe local, la galaxie d’Andromède M31. J’ai déjà eu l’occasion d’en dire deux mots dans un sujet précédent (voir sujet place du Soleil dans la Galaxie).

     Notre galaxie se présente sous la forme d’un disque épaissi dans sa partie centrale (un peu comme, vues par la tranche, deux assiettes à potage collées tête bêche). Dans le centre du disque siègent un trou noir géant (Sagittarius A) que l’on ne peut que soupçonner de façon indirecte et, tournant autour de lui, des milliards d’étoiles : ce centre, appelé bulbe, renferme essentiellement des étoiles anciennes. Anciennes parce que le gaz interstellaire qui permet la formation des étoiles est pour sa grande part épuisé. Je crois volontiers que certains ciels de cet endroit doivent être féériques : imaginons-nous sur une planète d’un système solaire proche de ce centre ; les nuits doivent y être prodigieuses avec d’immenses nuées d’astres brillants d’une densité telle qu’il est parfaitement possible que ces soleils innombrables illuminent les terres presque comme en plein jour !

     Autour du bulbe se distribuent les bras spiraux (le Soleil est dans l’un d’entre eux - voir sujet précédemment cité) qui, sous l’effet de la gravitation, sont en rotation autour du centre. C’est là que naissent les étoiles car il y a encore beaucoup de gaz. Sous la pression d’étoiles géantes en fin de vie qui explosent, le gaz est comprimé et donne naissance à une pouponnière d’étoiles avec, parmi elles, de nouvelles supergéantes qui, à leur mort, entretiendront le processus de formation. Comme toutes les spirales qui lui ressemblent, la Galaxie (que l’on ne devrait plus appeler Voie lactée mais l’habitude est une seconde nature) est encore féconde.

  

          galaxies spirales barrées

     Il existe un phénomène concernant les galaxies spirales que nous n’avons pas encore évoqué : la présence d’une barre d’étoiles pouvant couper de part en part le centre d’une galaxie ; on parlera alors de galaxie barrée et, surprise, depuis peu, on croit savoir que c’est le cas de la Voie lactée. Quel est donc ce phénomène qui touche les 2/3 des galaxies spirales ?

     Ces barres sont en fait des ondes de densité qui se développent spontanément dans le disque galactique en gravitation. On sait qu’un disque galactique est d’autant plus instable qu’il est « froid », c’est à dire associant peu de mouvements désordonnés à une rotation forte. La barre est un phénomène qui rompt la symétrie de l’axe galactique quand celui-ci est relativement instable et, de ce fait, le gaz interstellaire est attiré vers le centre d’où des flambées de nouvelles étoiles. Les galaxies barrées trouvent là un autre moyen de créer de nouveaux soleils.

     Du coup, pour les galaxies barrées typiques, les bras n’émergent plus du bulbe central dans son ensemble mais de la bande d’étoiles constituant la barre. Ajoutons que plus il y a de matière (d’étoiles) ainsi constituée et plus la barre a tendance à disparaître, le disque retrouvant sa stabilité. Compliqué ? Non, pas vraiment : il s’agit d’un phénomène finalement assez simple dont la seule particularité est de se produire à une échelle gigantesque. Quoi qu’il en soit, cette dernière manière de caractériser une galaxie permet de comprendre que celles-ci passent par des cycles successifs et répétés qui traduisent leur plus ou moins grande propension à créer des étoiles.
 

          * les elliptiques

     Ce sont des galaxies qui n’évoluent pratiquement plus : dans longtemps d’ici, la Voie lactée deviendra probablement ainsi (mais pas avant d’avoir plus ou moins fusionné avec sa voisine Andromède). Ces galaxies se présentent sous la forme de sphères ou de configurations ovales comme un ballon de rugby et elles sont essentiellement composées d’étoiles âgées, principalement des naines rouges et blanches. Ne possédant plus de gaz qu’elles ont épuisé, elles n’ont pas connu de véritables naissances stellaires depuis des millions d’années.

     Elles sont aussi souvent gigantesques, regroupant parfois jusqu’à 10 000 milliards d’étoiles, un chiffre difficile à appréhender… Puisqu’elles sont si massives, elles étendent leur influence gravitationnelle très loin d’elles ce qui explique pourquoi elles sont entourées de petites galaxies dites satellites : dans leur propre amas, ces monstres finiront par capter toutes leurs petites voisines pour augmenter encore de taille.
 

 
          * les irrégulières

     De taille bien moins importante que celles des deux types précédents, il s’agit peut-être de galaxies spirales « ratées » en ce sens que leur faible masse les a empêchées d’évoluer normalement. Il n’empêche : elles sont aussi le siège de naissances d’étoiles comme en témoigne la présence de nombreuses supergéantes bleues. J’ajoute que les « nuages de Magellan », galaxies satellites de la Voie lactée, font partie de ce type.

          * les lenticulaires

     Il reste, pour être complet, à citer cette dernière forme de galaxies qui, au contraire des précédentes, sont très symétriques. Composées essentiellement d’un bulbe presque hypertrophié et d’un disque aplati de petite taille, elles n’ont plus ni gaz, ni poussière susceptibles de permettre l’éclosion de nouvelles étoiles : les leurs sont donc les plus vieilles de l’Univers. 
 

 
Répartition des diverses catégories de galaxies

     La majorité des galaxies visibles dans le ciel sont des spirales puisqu’elles représentent un peu plus de 60% de l’ensemble. On trouve ensuite, en ordre décroissant, les lenticulaires (21%), les elliptiques (13%) et, enfin, les irrégulières (un peu plus de 5%). Pour obtenir ces chiffres, on n’a retenu que les galaxies les plus proches de nous. En effet, comme je l’ai dit précédemment, regarder le ciel lointain, c’est regarder le passé : du coup, regarder un peu trop loin, c’est obtenir un cliché qui n’est probablement plus d’actualité, les astres ayant évolué depuis cette date.

Evolution et devenir des galaxies

  

     Les galaxies sont organisées en amas pouvant comporter des centaines voire des milliers de sujets. Entre ces amas, le vide. Car, malgré ses milliards de galaxies, l’Univers est si grand que sa presque totalité est du vide : on pense que celui-ci contient moins d’un atome par mètre-cube…

     Les amas de galaxies ne sont pas distribués au hasard. A une échelle encore plus grande, on trouve des superamas, preuve que l’Univers est organisé en des sortes de cellules dont les bords renferment les amas galactiques et le centre du vide. Le meilleur moyen de se représenter l’Univers à cette échelle est de le comparer à une éponge qui grossirait sans cesse (à la différence près qu’en dehors de l’éponge, ici, il n’existe rien). Chaque cellule a un diamètre approximatif de 300 millions d’al et c’est aux points de contact de ces cellules qu’existe la plus grande concentration de galaxies.

     Revenons à une dimension moins énorme. Une galaxie est donc un assemblage immense d’étoiles et, du moins dans celles qui le peuvent encore, il en naît chaque jour des millions. Celles qui le peuvent ce sont les spirales et les irrégulières, soit les ¾ des galaxies : c’est dire combien, en dépit de ses milliards d’années d’existence, l’Univers est encore jeune.

     Les étoiles ne naissent pas isolément mais par centaines en même temps ce qui explique l’expression souvent retrouvée en astronomie de pouponnières d’étoiles. Les nodules de gaz et de matière présents dans une galaxie se condensent sous l’effet de la gravitation, deviennent de plus en plus chauds jusqu’à atteindre des millions de degrés, un stade à partir duquel s’enclenche la réaction thermonucléaire qui conduira à la création d’une pléiade de nouveaux soleils.

     Parfois, l’explosion voisine d’une supernova accélère le processus. Puis, ces étoiles, de par les forces de gravitation, s’éloignent progressivement les unes des autres pour vivre leur vie plus ou moins solitaire (une grande partie d’entre elles sont organisées en systèmes multiples comme cela est expliqué dans le sujet : étoiles doubles et systèmes multiples). Pour le Soleil, par exemple, vieux de 4,5 milliards d’années, il n’est plus possible de savoir quels étaient ses frères et sœurs, la dispersion ayant fait son œuvre mais ce n’est pas le cas d’étoiles plus récentes.

     Toutefois, même pour les galaxies plus anciennes, comme les elliptiques, tout espoir n’est pas perdu : une autre source de création d’étoiles est le choc entre deux galaxies, par exemple une elliptique géante et l’une de ses galaxies satellites. Vu de loin, on observe un interpénétration des deux systèmes qui peut durer des millions d’années. Les forces gravitationnelles qui les attirent en bouleversent la structure : ici, un morceau de galaxie est incorporé à la plus massive et se met à tourner avec elle, ailleurs un morceau d’un disque se trouve amputé et reste un temps solitaire. A l’échelle des étoiles, le phénomène n’est guère perceptible : celles-ci sont séparées par tellement de vide qu’il est très peu probable qu’une collision se produise. Tout au plus, une étoile peut-elle être captée par un système déjà formé… En revanche, il est très vraisemblable que les nuages de gaz encore présents s’échauffent d’où la possibilité de naissances d’étoiles même dans des galaxies théoriquement stériles.

     Quel sera le devenir de l’Univers ? On sait depuis peu qu’il continue son expansion (voir le sujet : l'expansion de l'Univers). Plus encore, depuis les observations effectuées par les dernières sondes lancées, on sait que cette expansion a tendance à s’accélérer. Si rien n’inverse le processus, on peut imaginer que les distances entre les galaxies vont s’accroitre tandis que les amas vont finir par s’unifier. Et après ? On ne peut que conjoncturer un refroidissement progressif et une dispersion dans un vide total… Mais il faut néanmoins faire attention : bien des choses restent à découvrir qui, peut-être, invalideront ce scénario de fin du monde. N’oublions pas, par exemple, que nous ne savons pas grand chose de la matière qui compose l’Univers. Les calculs, ici, sont formels : toute la masse visible ne représente qu’une fraction de la masse totale. Comme je l’ai déjà expliqué dans un précédent sujet (voir matière noire et énergie sombre), les galaxies, étoiles et autres gaz divers ne représentent qu’environ 4% de la masse universelle globale : 74% sont attribués à une mystérieuse matière noire et 21% à une non moins énigmatique énergie sombre. Les années à venir nous réservent sans doute des surprises…


     Les galaxies sont des structures gigantesques composées de milliards de soleils et de probablement encore plus de planètes. Elles sont autour de nous par milliards, brillantes, indifférentes et muettes. Même la seule dont nous connaissons une toute petite partie, la Galaxie, notre galaxie, est si gigantesque qu’une civilisation humaine toute entière aurait à peine le temps d’en effleurer la réalité. C’est exprimer combien l’Univers visible est immense et combien nous sommes petits, infinitésimaux pour ainsi dire. Si les êtres humains prenaient parfois le temps d’y réfléchir, je suis à peu près certain que bien des problèmes qui agacent notre vie quotidienne seraient alors considérés comme négligeables : Oculos habent et non videbunt… (ils ont des yeux mais ne voient pas)
 

 


Glossaire

     * Amas de galaxies : un amas de galaxies est l'association de plus d'une centaine de galaxies liées entre elles par la gravitation. En dessous de 100, on parle plutôt de groupe de galaxies, même si la frontière entre groupe et amas n'est pas clairement définie.

     Ces amas se caractérisent par leur forme (spécifique, sphérique, symétrique ou quelconque) ainsi que par la répartition et leurs nombres de galaxies (jusqu'à plusieurs milliers). Ils se sont formés il y a 10 milliards d'années, ce qui est relativement tôt par rapport à l'âge de l'univers (environ 14 milliards d'années). Ces amas peuvent eux-mêmes s'associer en groupes plus grands pour former des superamas.  

     Les amas de galaxies sont des structures stables, c'est-à-dire que ses constituants ne peuvent s'échapper du puits de potentiel gravitationnel de l'amas, les plus grandes et les plus massives de l'Univers actuel.

     Notre Galaxie appartient à un groupe de galaxies, comprenant une trentaine de galaxies, appelé Groupe local, lui-même inclus dans le superamas de la Vierge. (in Wikipedia France)

Images

1. le catalogue de Messier (sources : www.astrofiles.net/)

2. Emmanuel KANT, peinture anonyme vers 1790 (sources : www.culture.gouv.fr/)

3. la galaxie spirale NGC1232 Eridan (sources : cidehom.com)

4. la galaxie spirale barrée NGC 7424 (sources : www.insu.cnrs.fr/)

5. superamas de galaxies (sources : www.oca.eu/)