1 La Galaxie
 
 

1.1 Présentation

Notre Galaxie est une galaxie spirale d’environ 200 milliards d’étoiles qui sont principalement concentrées dans un disque de 100 000 A.-L. de diamètre et de 1000 A.-L. d’épaisseur.

Au centre du disque, un bulbe de 20 000 A.-L. de diamètre et 3000 AL d’épaisseur. Tout autour un halo sphérique peu dense de 100 000 A.-L. de diamètre. Le bulbe contient 100 fois plus de masse stellaire que de masse gazeuse. Pour le disque, le rapport tombe à 10.

Les étoiles du halo forment des amas globulaires centrés sur le Sagittaire, le centre galactique. Ces étoiles pauvres en éléments lourds sont les plus anciennes et sont dites de population II.

Les étoiles du bulbe sont de petite masse et d’âge comparable à celle du halo d’où une couleur jaune orangée malheureusement invisible depuis la Terre.

Les étoiles du disque, les plus récentes et dites de population I ont des âges qui se repartissent de quelques millions d’années jusqu’à l’âge des étoiles du halo.

Les étoiles les plus massives sont à l’extérieur du disque.

Le gaz qui forme 5% de la masse totale n’est pas homogène. Des nuages denses (quelques centaines de particules au cm³) à 100 K baignent dans un plasma peu dense (1 particule pour 100 cm³) porté à une agitation thermique de 10⁴ à 10⁶ K.

Si le cœur du bulbe (une région de 6000 A.-L. de diamètre) tourne en bloc, le reste est animé d’une rotation fluide. Le Soleil à 8500 parsecs (ou 26 000 A.-L.) du centre effectue une rotation complète en 200 à 250 millions d’années.

A l’extrémité du disque, la vitesse ne chute pas ce qui indique la présence d’une matière massive dans le halo à l’extrémité du bulbe. Le rapport masse / luminosité (avec 1 pour le Soleil) qui vaut quelques unités pour le bulbe et 10 pour le disque augmente encore dans le halo. Ce rapport vaut donc 10 pour l’ensemble galactique.

Les bras ne représentent qu’une sur densité de 2 à 3 par rapport au milieu inter bras.

Les bras seraient dus à une rotation différentielle auto entretenue ou à l’effet de l’explosion en chaîne de supernovae sur la génération stellaire.

Les étoiles des bras spiraux, statistiquement plus jeunes et plus brillantes, sont fréquemment noyées par des nuages interstellaires formés de gaz et de poussières, si bien que le plan galactique devient rapidement opaque à l’observation. La portée dans le visible depuis la Terre est limitée à 10 000 A.-L. vers le centre.

Ce sont les émissions radio et infrarouge qui nous permettent de connaître les régions centrales. A coté du gaz interstellaire et des étoiles concentrées dans le plan, on trouve de nombreux amas globulaires dans des régions éloignées du plan. On a souvent comparé la Galaxie à un gaz d’étoiles. La notion est trompeuse car les étoiles sont si séparées les unes des autres qu’elles n’entrent jamais en collision et les étoiles formées dans les amas sont demeurées loin du plan.

La Galaxie s’est probablement formée à partir d’un ensemble sphérique, les étoiles des amas globulaires se formant en premier. Mais l’ensemble n’étant pas homogène, l’attraction dans la direction où la concentration était la plus forte a engendré un effet boule de neige et la plus grande partie des étoiles s’est concentrée selon le plan perpendiculaire.
 
 

Par la mesure du mouvement des nuages d’hydrogène neutre corrélés à sa mesure du déplacement des étoiles proches, on a pu mesurer que le Soleil et son environnement se déplace à 220 km/s. Ce mouvement semble caractériser sa rotation autour du centre galactique: 1 tour en 250 millions d’années.

La distance du Soleil au centre de rotation galactique est de 8500 parsecs (1 parsec = 3,24 A.-L.) et le Soleil n’est qu’à 8 parsecs du plan moyen galactique.
 
 

1.2 Populations stellaires

Les étoiles les plus brillantes de type O et B ne s’observent que dans le plan galactique. Elles appartiennent à la population I. Les vieilles étoiles des amas globulaires forment la population II. Les amas ont une distribution sphérique avec un accroissement de la densité près du centre.

77% de la masse stellaire est de population I dont 10% seulement dans les bras. 23% sont de la population II.

L’abondance des éléments lourds dans les étoiles de population II est de 10 à 10 000 fois plus faible que dans les jeunes étoiles de population I dont les globules pré stellaires ont été enrichis progressivement par la synthèse chimique des étoiles qui les ont précédées.

Le gaz interstellaire est essentiellement formé d’hydrogène neutre observable par la raie à 21 cm ou d’hydrogène ionisé, avec une faible proportion d’hélium. Les nuages font de 1 à 10 parsecs de diamètre et 10 atomes en moyenne par cm³.

L’hydrogène neutre est observable essentiellement par la détection des raies en émission à 21 cm. Elle est due à une transition hyper fine entre l’état fondamental et un niveau proche. Cette transition est peu probable mais est détectée au vu des dimensions considérables des nuages.

Les nuages plus importants de plusieurs centaines de masses solaires et une densité de plusieurs milliers d’atomes au cm³ forment les étoiles les plus massives. Ces nuages sont dits régions HII car ce sont de grandes nébuleuses à émission, excitées par le rayonnement ultraviolet des étoiles géantes en leur sein.

Le gaz est très concentré dans les bras galactiques; il est lié à la population I et à la formation d’étoiles. Le maximum de formation stellaire s’est produit dans toutes les galaxies voici environ 7 milliards d’années et désormais dans l’univers la production stellaire est environ 10 fois moins importante dans une tendance régressive inexorable. Ainsi toute notre Galaxie ne produit plus chaque année qu’une seule étoile de masse proche du Soleil.

Depuis les années 70, les radiotélescopes ont détecté plusieurs dizaines de molécules dans les nuages, notamment par des raies en émission (nuages chauffés).

Ces nuages moléculaires sont aussi producteurs d’infrarouge par le rayonnement de la poussière (silicates, carbones, oxygène) qu’ils contiennent.

La masse totale de la poussière est de 1% de la masse gazeuse.

Cette poussière joue le rôle de catalyseurs pour la formation des molécules et intervient dans la condensation des gaz, prélude à la protoétoile.

La vitesse de rotation autour du centre des étoiles jusqu’au moins 2 fois la distance Centre au Soleil est inchangée autour du 210 à 220 km/s.

En considérant la courbe de décroissance des vitesses de rotation des étoiles bien plus distantes du centre que le Soleil (étoiles pour laquelle les étoiles centrales apparaissent concentrées en une zone réduite), on en déduit une masse totale galactique de 200 milliards de masses solaires mais la somme des étoiles ( le gaz n’intervenant que pour 5% de la masse stellaire) n’explique pas cette valeur et il faut faire intervenir une masse non visible.

L’étude de l’hydrogène neutre par la raie 21 cm a montré qu’il se concentre dans le plan galactique jusqu’à 30 000 parsecs du centre.

La corrélation entre la répartition d’étoiles jeunes, des régions HII et de l’hydrogène neutre a démontré la forme en spirale de la Galaxie dans le voisinage du Soleil.

Notre Galaxie apparaît barrée dans ses régions centrales. Au lieu d’être à symétrie circulaire, elle apparaît ovale.

Les bras sont les lieux de passage des ondes de densité. Ce sont des ondes rigides, semblables aux ondes sonores qui traverse le " gaz d’étoiles ". Ainsi les spirales gardent leur forme malgré la rotation différentielle, les vitesses des étoiles variant progressivement avec l’éloignement au centre.

Le centre de la Galaxie situé dans la région nomme Sagittaire A est le siège d’une intense activité caractérisée par une forte émission radio. L’origine de cette émission est une zone de 5 milliards de km. Au centre de cette structure, dans une région de seulement 2 parsecs, on trouve 3 mini bras suggérant l’émission de jets et à plusieurs dizaines de parsecs une structure filamenteuse semblable à un bras spiral hors du plan galactique.

La région infrarouge du centre galactique est constituée d’une réunion d’étoiles jeunes et très brillantes (pour certaines 100 000 fois le Soleil). Il est possible qu’au centre même se trouve un trou noir d’environ 1 million de masses solaires (ce qui ne constituerait qu’un cent millième de la masse galactique totale).

C’est la chute de matière dans le trou noir qui serait responsable de l’émission radio et des jets violents dus à l’arrachement de matière des étoiles et à leur entraînement dans le tourbillon de l’espace causé par le trou noir.

Le champ magnétique est concentré dans les bras spiraux mais n’y atteint que 10^-9 tesla soit 500 fois moins que le champ terrestre. L’effet de ce champ est de coupler les mouvements de la matière ionisée (le plasma) aux lignes de champ.

.
 
 

2 Galaxies
 
 

2.1 Présentation

Les galaxies comprennent de quelques centaines de millions à quelques milliers de milliards d’étoiles et leurs dimensions varient de 10 000 A.-L. à plusieurs centaines de milliers d’A.-L.

Les forces gravitationnelles qui assurent la cohésion des galaxies conduisent à des formes assez lâches, facilement déformables.

Les phénomènes de marées et de coalescences, conséquence des rapprochements ou des entremêlements des galaxies peu de temps après leur genèse ont probablement fortement influé sur les formes actuellement identifiées.

Les galaxies sont elles nées par condensation de matières galactiques, par la réunion d’amas stellaires préformés ou dans les grumeaux inhomogènes du début de l’expansion après le Big-Bang, les scénarios demeurent encore ouverts aujourd’hui.

Les décalages croissants de leurs spectres avec la distance à l’observateur permettent de mesurer la variation de courbure de l’univers entre l’instant de l’émission de la lumière par la galaxie et la courbure de l’univers au temps présent.

On a découvert des objets compacts avec des décalages généralement plus grands que ceux des plus lointaines galaxies; ce sont les quasars. Pour un certain nombre d’entre eux, il a été possible de démontrer que leurs sources puissantes étaient incluses dans des structures galactiques bien moins émissives.
 
 

2.2 Hiérarchie galactique

Le Groupe Local dont notre Galaxie ( la Voie Lactée) et Messier31 (la galaxie d’Andromède) forment l’essentiel de la masse regroupe également une vingtaine de galaxies sur un million de parsecs. Ce sont les elliptiques naines qui dominent. Celles-ci étant peu lumineuses ne sont pas détectables hors du groupe local et il faut corriger l’estimation du nombre et de la masse galactique pour les amas afin de tenir compte de ce biais dans les observations.

Notre groupe local est rattaché à l’amas de la Vierge mais il se trouve à sa périphérie.

A petite échelle, les galaxies se regroupent en amas sur une dimension caractéristique de l’ordre du million de parsecs ( 3 à 10 millions d’A.-L.).

Tous les amas n’ont pas la même composition; les amas riches montrent un échantillonnage complet mais certains amas très denses ne montrent que des galaxies lenticulaires.

Les galaxies les plus brillantes sont au centre des amas et les plus faibles dotées d’une plus grande vitesse sont sur le pourtour.

Les amas se regroupent eux-mêmes en superamas dont la dimension est de l’ordre de 300 millions d’A.-L. et semblent s’aligner le long de filaments ou parois qui isolent des vides cosmiques. Ainsi le vide du Bouvier est une zone de 100 millions d’A.-L. sans galaxie observable.

Cette organisation hiérarchique reflète vraisemblablement les conditions initiales lors de la formation des galaxies.

A grande échelle, c’est-à-dire si l’on considère des sphères élémentaires de 300 millions d’A.-L. (moins d’un cent millième de l’univers observable) les galaxies se repartissent donc de façon uniforme.

2.3 Classification des Galaxies.

Elle repose encore sur la première classification morphologique d’Edwin Hubble, le premier à avoir estimé l’éloignement des galaxies proches. La mesure de leur éloignement repose sur la détection de céphéides dont la luminosité intrinsèque était déduite de leur période de variation. La mesure du décalage spectral de ces proches galaxies à la distance connue a permis les premières calibrations de la loi reliant le décalage spectral à l’éloignement.

Les galaxies elliptiques ont une forme d’ellipsoïdes aplaties mais leur déformation peut varier dans les 3 axes. On les classifie de E0 (les plus sphériques) à E7, suivant leur degré d’aplatissement. Elles ne possèdent pratiquement pas de gaz et le taux de formation d’étoiles y est très faible.

Dominées par les géantes rouges, la composition de ces galaxies ressemble à la population II, la population la plus âgée de notre Galaxie.

Toutes les galaxies elliptiques pourraient être caractérisées en première approximation par un rapport masse / luminosité constant, la luminosité caractérisant non seulement la masse mais aussi le degré d’avancement de la synthèse des éléments lourds par ses étoiles ( la métallicité) et la dispersion des vitesses (qui se mesure par l’élargissement des raies autour d’une fréquence moyenne équivalent à une vitesse de " fuite " cosmologique de la galaxie).

Plus la masse est élevée, plus l’enrichissement est élevé et plus la dispersion des vitesses est grande.

Les galaxies spirales ont une forme aplatie, la plupart des étoiles visibles étant concentrées dans le plan galactique. Au centre la grande concentration d’étoiles s’appelle le bulbe. L’hypothèse d’un halo plus ou moins massif d’allure sphérique mais composé d’une masse non visible expliquerait la permanence des bras spiraux. Si le bulbe central et les amas globulaires orbitant au sein du halo sphérique sont composés d’étoiles vieilles d’où leur couleur rouge orangée, les bras spiraux contiennent des étoiles de tout âge, les étoiles jeunes et massives le tirant vers le bleu.

Les spirales se subdivisent en spirales normales (S) et spirales barrées ( SB) dont les bras se détachent d’une barre partant du bulbe. Notre propre Galaxie est de type Sb.

Les Sa et SBa ont une forme très resserrée autour d’un bulbe très important, les Sb et SBb ont des spirales bien formées et les Sc et SBc ont un bulbe réduit et des spirales très ouvertes.

La catégorie des lenticulaires désigne des elliptiques très aplaties au bulbe très lumineux avec parfois l’ébauche d’un disque.

Si leur morphologie les rapproche apparemment des spirales ( excepté l’absence de bras spiraux), l’homogénéité dans l’ancienneté de leurs étoiles les identifie presque à des elliptiques. La formation des étoiles s’est arrêtée dans les lenticulaires.

Plus la densité d’un amas est élevée, plus la population d’elliptiques et de lenticulaires est élevée.

Une explication en serait la dissipation du gaz froid de ces galaxies par les nuages de plasma chaud émettant en rayons X et présent dans les amas. Le déplacement rapide des galaxies dans ce gaz chaud dissipe le gaz et fait disparaître la source de la génération stellaire. Les bras spiraux éventuellement formés disparaissent et on aboutit au simple disque sans structure des lenticulaires.
 
 

Enfin les galaxies irrégulières magellaniques possèdent un petit bulbe et un disque sans structure mais contenant souvent une barre.

Ne rassemblant que 1 à 10 milliards d’étoiles, elles possèdent beaucoup de gaz car la formation stellaire y semble ralentie.

Elles sont riches néanmoins de nombreuses étoiles jeunes.

Il semble que le grand nuage de Magellan, une galaxie satellite de la notre à 160000 A.-L. longtemps présentée comme l’archétype des ces galaxies au point de qualifier leur classe, serait en fait une petite galaxie spirale mais totalement déformée par les effets de marée dus à l’attraction de notre Galaxie.

Les galaxies bleues compactes ne possèdent que quelques centaines de millions d’étoiles et presque toute la masse y semble formée d’étoiles jeunes au vu de l’énergie nécessaire pour ioniser le gaz de leur environnement et lui faire émettre les rayonnements U.V. qui les caractérisent.

2 hypothèses s’affrontent:

- ces galaxies seraient les seules ne datant pas du début de l’univers

- la génération d’étoiles ne s’y ferait que par bouffées et elles ne seraient détectables que pendant ces brusques sursauts de naissances stellaires.

Les galaxies bleues compactes et les irrégulières ne contiennent que peu d’éléments lourds et en corrélant la formation de leur oxygène avec la formation de l’hélium, les modèles aboutissent, en remontant dans le temps jusqu’au début de la génération stellaire où l’oxygène était absent, à une valeur initiale de l’hélium de 22 % de la masse de la matière.

Ainsi l’observation de ces petites galaxies remarquables contraint fortement les modèles de nucléosynthèse et donc les modèles cosmologiques.
 
 

Sur 600 galaxies proches, E.Hubble avait identifié 17% d’elliptiques 19% de Sa et Sba, 25% de Sb et SBb, 36% de Sc et SBc et seulement 3% d’irrégulières.

Mais il semble que la statistique était faussée par une classe d’elliptiques naines peu visibles qui formerait la majorité des galaxies.

Echantillon: 1500 objets de magnitude <= 13.
 
 

La classification des galaxies recouvre des différences physiques autres que leur différence morphologique. Chaque classe de galaxie admet des dispersions grandes sur certaines propriétés physiques. Par exemple la quantité d’hydrogène source de naissance des étoiles par rapport à l’intensité du spectre dans le bleu, caractéristiques de la formation d’étoiles jeunes; il n’y a donc pas de progression simple entre les types morphologiques dans la capacité de transformer du gaz en étoiles.

En conséquence, il nous manque encore des critères fondamentaux de classification.

Un point essentiel; cette classification n’est pas un enchaînement temporel.

Presque toutes se seraient formées environ 1 milliard d’années après le début de l’univers, leur différentiation dépendant fortement de leur taux de formation d’étoiles, mais pas exclusivement car il faudrait faire souvent intervenir leur environnement (collision, interaction, gaz chaud dissipateur...)

2.4 Origine des morphologies

Deux scénarios sont en vigueur pour la formation des galaxies.

Dans la première, les morphologies galactiques sont liées au maintien de la capacité de produire des étoiles à partir du gaz; une production continue aboutirait aux elliptiques et une production interrompue, aux spirales et lenticulaires.

Dans la seconde, la morphologie dépend de l’environnement; les galaxies seraient nées de la réunion d’amas globulaires par interaction fréquente.

Détaillons la première hypothèse. Les galaxies sont formées à partir d’un nuage de gaz très diffus d’une masse égale à la galaxie stellaire finale.

Les galaxies sont donc formées de gaz et d’étoiles, le gaz se transformant progressivement en étoiles. Le gaz étant un système dispersif, son agitation ne pourra pas suffire à long terme pour éviter son effondrement par auto gravitation et la formation de condensations centrales proto stellaires.

Si les étoiles se forment vite à partir du gaz, la galaxie évoluera comme un système stellaire.

Mais si les étoiles se forment lentement, les déplacements erratiques des étoiles vont les faire interagir avec le potentiel gravitationnel moyen des régions qu’elles traversent. Les vitesses des étoiles seront redistribuées et réparties de façon plus uniforme dans un phénomène dit de relaxation violente. Ce phénomène nécessite seulement 100 millions d’années. La galaxie se comportera alors comme un système où le gaz et les étoiles forment un système couplé.

Mais si le temps de formation des étoiles à partir de la condensation initiale de gaz galactique est lui aussi de l’ordre de 100 millions d’années, on aboutira au profil effectivement observé dans les galaxies elliptiques. Ainsi, dans le cas le plus simple d’une masse sans rotation élevée et avec une transformation continue du gaz en étoiles, on aboutira à une galaxie elliptique, galaxie sans structure interne où la quantité de gaz devient faible.

Mais si la formation stellaire est interrompue ou si la rotation est importante, les effets centrifuges dues à l’inertie de la masse gazeuse vont répartir le gaz selon un disque perpendiculaire à l’axe de rotation et un bulbe sphéroïdal va se former; une galaxie spirale ou lenticulaire apparaît. La vitesse de formation stellaire y a été bien plus lente que le temps de relaxation; l’évolution de ces galaxies y est déterminée par l’évolution du gaz.

Dans l’autre scénario, les galaxies se forment par la coalescence d’amas stellaires. Il faut ici faire intervenir le processus de collisions pour expliquer une telle densité d’amas en final.

Si aujourd’hui 10 % des galaxies sont toujours en interaction, cette proportion était beaucoup plus élevée dans le passé lointain du fait d’une densité plus élevée.

Les propriétés des galaxies dépendant de leur environnement, on peut expliquer ainsi la surabondance des galaxies elliptiques et lenticulaires dans les amas par rapport aux galaxies dans des groupes peu denses ou par rapport aux galaxies de champ isolées.

L’origine des bras spiraux serait double:

- la propagation des explosions de supernovae qui densifient localement les nuages et forment de nouvelles étoiles puis de nouvelles supernovae: l’onde explosive provoquant la contagion des supernovae explique bien le profil des spirales aux bras très ouverts par rapport au bulbe (type Sc et Sd). Les autres types nécessitent l’explication de type ondes de densité

- le passage de nuages à proximité d’ondes de compression (ou ondes de densité) qui provoque une onde de choc. La pression s’accroît brutalement et la vitesse chute; de nouvelles étoiles se forment à partir du gaz, l’arrivée continuelle de nouvelles masses de gaz près de cette source de compression reforme continuellement le bras spiral.

Mais ces ondes de densité devraient disparaître en 1 milliard d’années du fait de la rotation différentielle qui lie la vitesse des étoiles à leur éloignement au centre sauf si un halo massif maintient l’onde de densité.

Les types spirales barrées ou spirales simples pourraient s’expliquer par l’importance du halo.

Si le halo est peu massif les spirales se forment et évoluent rapidement en forme de barres qui forme jusqu’à 40% de la masse. Après une phase de stabilisation la part de la barre centrale se réduit à 25 %, des bras spiraux plus fins liés aux ondes de densité émanent de cette barre centrale.

Si le halo est massif l’évolution est plus lente et la galaxie maintient ses bras spiraux.
 
 

2.5 Reconstitution de la composition stellaire

Chaque pixel sur les récepteurs venant des galaxies même les plus proches représente un champ étoiles d’au minimum plusieurs dizaines de parsecs. Chacune de ces cellules représente plusieurs dizaines de milliers d’étoiles, plusieurs millions pour les galaxies plus lointaines. Au-delà le spectre de couleurs est très difficile à acquérir.

La lumière venant des galaxies est donc l’addition de l’émission de millions d’étoiles. En déterminant la proportion des différentes couleurs, il est possible par traitement statistique de reconstituer la proportion de chacun des types stellaires:

2.6 Constitution des galaxies

La population I des étoiles ne se rencontre que dans les galaxies spirales où elles se trouvent concentrée au voisinage du plan de symétrie et dans les galaxies irrégulières. Cette population d’étoiles récente comprend les étoiles chaudes O et B, les céphéides, les supernovae massives et le contenu des grands nuages interstellaires brillants ou obscurs. Notre Soleil fait partie de cette dernière catégorie.

La population II des étoiles est la population des anciens: les amas globulaires, les RR Lyrae ( étoiles oscillantes peu massives), les supernovae peu massives (couple serré formé d’une naine blanche et d’un compagnon),...

La population II constitue la totalité des galaxies elliptiques. On la retrouve dans le bulbe et le halo des spirales.

Il semble exister une transition continue entre les types morphologiques de galaxies et leur proportion relative de population I mais il n’est pas encore possible d’affirmer qu’il s’agit d’un effet d’évolution ou de structure intrinsèque aux différents types de galaxies, d’autant plus que les interactions gravitationnelles entre galaxies viennent brouiller le scénario.

En analysant le spectre de galaxies, on peut observer autour de leur décalage moyen (effet de différences de courbure entre l’univers au moment de l’émission de la lumière et de la réception), une dispersion liée à ce que certaines étoiles tournent vers nous et d’autres s’éloignent par l’effet de rotation de la galaxie. En analysant les vitesses de rotation en différents points on a pu identifier 3 régions:

- le centre (jusqu’à 1000 parsecs) où des phénomènes de dispersion et de turbulence prennent le pas sur la rotation à l’exception du noyau central.

Ainsi dans la galaxie d’Andromède où une petite région centrale de 10 parsecs est en rotation très rapide. Il s’agit dans ce cas d’une concentration de l’ordre de 10 millions d’étoiles.

- le disque: à une distance jusqu’au tiers du rayon galactique, la vitesse linéaire croit avec la distance, c’est à dire que la vitesse angulaire reste constante.

- les régions externes où la vitesse linéaire décroît avec la distance, et la vitesse angulaire décroît avec le carré de la distance au centre.

Dans les régions externes, la masse galactique semble concentrée au centre et les lois de Képler peuvent s’appliquer mais dans les régions intermédiaires la masse n’est pas concentrée et la vitesse dépend de la répartition des masses dans l’environnement.

La loi de Képler s’applique aussi pour les masses de gaz d’hydrogène neutre. L’intensité de la raie à 21 cm permet de confronter la masse en jeu avec leur vitesse et donc de déterminer d’étudier le rapport entre la masse de gaz et cette masse stellaire qui détermine les vitesses.

Les courbes de variation indiquent que dans certaines galaxies spirales (dont la notre) la vitesse linéaire peut rester constante même au-delà de 10 000 parsecs. On explique ce phénomène par la présence d’une masse cachée bien supérieure à la masse visible.

La masse de la protogalaxie et son moment angulaire initial détermine probablement sa structure.

Considérons une masse de gaz sans mouvement important de rotation;

- elle pourra conserver longtemps sa forme sphéroïde.

- les effets de l’attraction y seront plus efficaces produisant un fractionnement de gaz et une flambée de formation stellaire.

Il semble que les galaxies elliptiques se soient formées ainsi. Mais la matière gazeuse s’épuise et bien qu’à chaque génération les étoiles renvoient une partie de leur masse dans l’espace, la formation stellaire se ralentit rapidement. Ainsi les elliptiques ont épuisé leurs gaz.

Alternativement, les protogalaxies avec un grand mouvement angulaire vont pouvoir former des étoiles de population II dans leur halo mais de façon assez inefficace.

Le gaz restant va s’effondrer en un disque aplati où la haute densité de matière va permettre de ré atteindre un taux élevé de formation stellaire.

Dans les galaxies irrégulières, malgré un taux de gaz neutre élevé, la formation d’étoiles semble réduite mais il n’est pas possible de déterminer clairement entre si la formation stellaire est continue et faible ou bien par flambées brusques suivies de calmes plats. Néanmoins certaines irrégulières possèdent de grandes régions HII (excitées par de jeunes étoiles chaudes) indiquant une flambée d’étoiles récentes.

Quant aux galaxies violemment déformées par une interaction gravitationnelle, le fractionnement du gaz en régions HII super géantes a provoqué une flambée de formation stellaire. Ces galaxies sont repérées par une forte émission dans l’infrarouge lointain, lié à la poussière, ou dans les U.V. et dans la partie bleue du spectre, caractéristique de la présence d’étoiles jeunes et massives.

Dans leur déplacement les galaxies peuvent accréter des nuages de gaz primordiaux n’ayant pas encore participés à l’élaboration d’étoiles ou au contraire les galaxies peuvent être dépouillées de leur matière interstellaire sous l’influence du milieu chaud interne à l’amas. Les galaxies peuvent passer près d’autres galaxies et les déformer, capturer des galaxies naines ( comme les nuages de Magellan), entrer en " collision " en passant à travers.

Dans le centre d’amas on observe également des galaxies cannibales d’environ 10¹³ masses solaires (100 fois notre Galaxie)

Il est possible en considérant un grand nombre de raies en émission venant d’une galaxie de remonter à la proportion de chaque type spectral. La contribution de chaque classe d’étoiles ayant un profil de raie particulier qui vient s’ajouter linéairement pour chaque longueur d’onde au spectre général de la galaxie.

Les galaxies les plus adaptées à cette étude sont les galaxies elliptiques car leur histoire est la plus simple.

On peut également l’appliquer au bulbe central des spirales où les bandes d’absorption stellaire CN, CH, TiO sont de plus en plus intenses en se rapprochant du centre, ce qui caractérise une élévation de la proportion d’éléments lourds due à un recyclage fréquent de la matière.

On a observé que certains noyaux actifs de galaxies sont entourés d’une enveloppe géante d’hydrogène ionisé qui l’environne jusqu’à plusieurs centaines de milliers d’A.-L.. Cette enveloppe pourrait également être présente autour de galaxies à noyau calme.
 
 

2.7 L’énigme de la matière manquante

Existe t-il de la matière autour ou entre les galaxies ce qui modifierait sensiblement la masse totale de l’univers et son devenir ?

Les premières réflexions sur le sujet remontent aux travaux de Fritz Zwicky. Il a en effet procédé au comptage d’amas galactiques très éloignés, vus au travers d’amas plus proches. La courbe présente un maximum au centre de l’amas intermédiaire correspondant au centre de l’amas lui-même mais ce maximum se situe dans une zone où la densité apparente des galaxies est inférieure à la moyenne.

On peut l’expliquer en évoquant une matière absorbante à l’intérieur de l’amas qui s’interpose et qui provoque une diminution de la magnitude des galaxies à l'arrière plan.

Dans les années 80, la détection dans les amas galactiques des rayons X émis par un plasma à plusieurs millions de degrés et enrichi en éléments lourds a confirmé la présence de gaz entre les galaxies même si la masse totale aujourd’hui estimée reste faible. Ces éléments lourds viennent de l’éjection des supernovae lors de la formation intensive d’étoiles dans les galaxies entre 13 et 7 milliards d’années en arrière.

Une autre façon d’aborder le sujet est d’évoquer le théorème du Viriel qui considère que l’énergie d’interaction entre les galaxies d’un amas est égale à leur énergie de cohésion afin que l’amas reste stable.

L’énergie d’agitation est l’énergie cinétique des galaxies et l’énergie de gravitation représente l’énergie du champ qui lie les galaxies entre elles. On aboutit à une masse nécessaire pour stabiliser l’amas 5 à 10 fois supérieure à la masse visible.

Les hypothèses envisagées ( masse de gaz ou petits astres froids) n’apparaissent pas fondées au vu des observations récentes.

La présence d’un halo massif permet également d’expliquer le maintien à long terme des structures en spirales naturellement instables du fait des rotations différentielles. Ce halo rendrait les vitesses linéaires proportionnelles à la distance au centre et permettrait donc une vitesse angulaire constante, stabilisant les bras spiraux.

2.8 Quasars et radiosources

2.8.1 Les noyaux galactiques

De 3 à 5 % des galaxies proches et environ 10% des elliptiques géantes contiennent un noyau actif, c’est-à-dire émettant mille fois plus que le reste de la galaxie.

On a pu déduire de sa vitesse de variation de l’ordre de quelques heures à quelques jours que la source avait une dimension équivalente (de quelques milliards à quelques dizaines de milliards de kilomètres); pour aller d’un bout à l’autre de cette source il faut quelques jours aux photons. Le noyau qui contient cette source est une concentration d’étoiles de quelques dizaines d’A.-L., la galaxie englobant ce noyau faisant quelques dizaines à quelques centaines de milliers d’A.-L. de diamètre.

Les noyaux actifs regroupent des objets assez divers comme les galaxies de Seyfert, les BL Lacertides, radiogalaxies et quasars.
 
 

2.8.2 Les radiogalaxies

Une galaxie sur dix mille est dotée d’une émission radioélectrique atteignant de 10000 à 100 millions de fois l’émission radio de notre Galaxie ou de la galaxie d’Andromède, c’est-à-dire 100 fois la puissance de notre Galaxie dans le visible.

L’émission provient de 2 grands lobes symétriques par rapport au centre et situés à environ 100 000 parsecs (de 10 000 à 5 millions pour les plus extrêmes: 3C236) à comparer au 20 000 parsecs, taille d’une galaxie moyenne).

L’énergie contenue dans ces lobes est équivalente à la convertion totale de 1 million des masses solaires. Leur expansion à 30 000 km/s leur donne un âge s’étageant de 1 à 100 millions d’années. Ces radiosources étendues caractérisent les phénomènes les plus violents de l’univers.

La polarisation de la lumière reçue a permis d’estimer le champ magnétique de 10^-10 Tesla pour les champs les plus étendues à 5*10^-8 tesla pour les plus denses. A cette intensité, les électrons relativistes sont stoppés et absorbés au bout de 10 000 ans; il faut donc imaginer un mécanisme de ré accéleration pour expliquer une durée de vie des lobes de 100 millions d’années.

Le noyau de la galaxie éjecte de la matière et les électrons accélérés dans un fort champ magnétique émettent un rayonnement synchrotron qui nous apparaît dans le domaine radio par le glissement apparent des fréquences. Le phénomène est proche de celui expliquant les pulsars.

Les émissions des jets sont souvent sporadiques mais ils gardent en général une orientation constante au cours du temps ou sont animés d’un mouvement de précession autour du noyau.

La matière projetée à 30 000 km/s est trop lente pour être relativiste mais son choc avec la matière interstellaire produit une turbulence forte et la production d’électrons ultra relativistes, générateurs par effet dynamo de ces champs magnétiques élevés malgré la faible densité du plasma.

Le noyau galactique d’une radiosource étendue contient une radiosource compacte de champ intense de 10^-7 Tesla de quelques dizaines de parsecs d’extension qui éjecte le plasma responsable de la formation des lobes.

Les galaxies proches peuvent également posséder une source radio compacte de 300 à 12000 milliards de km faiblement active comparativement à la source des radiosources étendues. Dans certains cas, la source d’énergie primaire du noyau peut être multiple.

Les galaxies à noyau actif comme les galaxies de Seyfert ou les radiogalaxies rentrent dans cette catégorie.

Les quasars sont la contraction du terme quasi-stellaire. C’est une source très ponctuelle, très intense, émettrice violente en radio (grande longueur d’onde) mais aussi en rayonnement très court: U.V., X et gamma.

L’origine de leur activité est liée à l’effondrement de la matière stellaire ou de gaz dans le puits d’un trou noir et l’accélération consécutive de la matière provoque le rayonnement.

Les premiers quasars détectés correspondaient à des radiosources dont la contrepartie optique était une source ponctuelle ressemblant à une étoile mais dont le spectre continu n’avait rien en commun avec une étoile.

En fait le spectre en émission permet d’identifier des raies connues mais fortement décalées (d’un facteur 2 à 6) vers les grandes longueurs d’onde.

Il s’avère que les quasars émettent beaucoup plus en U.V. que les étoiles ordinaires mais qu’une forte proportion de quasars n’a pas de rayonnement radio car il ne s’agit que d’un aspect secondaire du phénomène.
 
 

2.8.4 Les galaxies de Seyfert

Ces galaxies sont caractérisées par un noyau émetteur de raies intenses et larges. Les noyaux de Seyfert dit de première catégorie ont toutes les propriétés des quasars: raies d’émission élargies liées à des mouvements rapides de gaz, source compacte et variable, émission X.

Un quasar apparaît comme un noyau de Seyfert 1 si brillant que la galaxie qui le contient est noyée dans le spectre du quasar.

2 % des galaxies proches possèdent un noyau Seyfert 1 qui correspondrait à l’inverse à un quasar trop faible pour masquer sa galaxie.

Mais ces noyaux ne sont détectés que s’ils sont brillants; on peut donc envisager qu’il existe une plus forte proportion de galaxies qui possèdent un mini quasar en leur sein.

Ceci semble corrélé à des observations de galaxies proches comme M81 dont le mini quasar serait 10 fois énergétique qu’un noyau de Seyfert 1.

On a également détecté des sources X compactes dans des galaxies dites normales.

Les noyaux de Seyfert 2 ont un spectre identique aux noyaux de type 1 mais ne posséderaient pas de source compacte et n’émettent pas en X. Ils pourraient aussi contenir un mini quasar faible.

3% des galaxies proches possèdent un noyau Seyfert 2 et donc 5% de toutes les galaxies pourraient posséder un quasar.
 
 

2.8.5 Source d’énergie des quasars

Les radiogalaxies elliptiques possèdent une structure radio formée de 2 lobes symétriques tout comme beaucoup de radio quasars. Un certain nombre de radiogalaxies possèdent un noyau de type Seyfert 1. Les radiogalaxies ne se distingueraient donc des radio quasars que par la faiblesse de leur noyau optique.

L’extension de ces lobes peut atteindre 10 millions d’A.-L.. En considérant l’énergie convertie sous forme de photons du champ magnétique et d’énergie cinétique dans les électrons ultra relativistes et en considérant les pertes en électrons et les fuites magnétiques, il faut une source de 10 à 100 millions de masses solaires pour convertir totalement une énergie de masse utile de 1 million de masse solaire.

Le mécanisme au meilleur rendement (de l’ordre de 40%) pour produire de l’énergie à partir de la masse est la chute dans un puits gravitationnel et donc un trou noir massif.

Le gaz, arraché des masses stellaires, est transformé en galette pour être entraîné dans le tourbillon autour du trou noir. Ce gaz provoque une forte émission X par frottement visqueux. Les binaires X de notre Galaxie ( un des compagnons est une étoile à neutron) illustrent ce phénomène mais l’ordre de grandeur des énergies en jeu y est bien moindre.

La limite de luminosité des trous noirs est liée au fait que les photons émis lors de la chute dans le vortex du quasar sont limités dans leur échappement par la matière externe qui tombe elle aussi.

Cette limite indiquerait que le quasar le plus lumineux aujourd’hui détecté représenterait 10 milliards de masses solaires.

Le nombre de quasar se réduit fortement ; il doit être 100 000 fois plus faible aujourd’hui que lors de sa phase maximale.

Mais l’effet de lentille gravitationnelle d’une galaxie intermédiaire qui focalise en l’amplifiant l’énergie du quasar en arrière plan indique que de nombreux quasars ont une luminosité intrinsèque plus faible.

On estime alors qu’au maximum de la formation des quasars 1 galaxie sur 100 millions contenait un quasar de 10 milliards de masse solaire et une sur 1 million pour un trou noir de 1 milliard de masses solaire. Les trous noirs fortement alimentés en gaz possédaient une luminosité maximale mais aujourd’hui le nombre de quasar de même luminosité est 100 000 fois moindre car ces quasars ne sont pratiquement plus alimentés. Si une galaxie proche sur 20 possède un mini quasar, on a noté la présence d’un noyau actif dans 50 % des galaxies proches qui pourrait trahir la présence d’un trou noir.

Il apparaît que, si les quasars se sont bien formés au centre d’un grand nombre de galaxies, l’évolution des quasars pourrait avoir été un facteur majeur de l’évolution des populations galactiques.
 
 

2.8.6 Les quasars comme un outil

L’étude du spectre optique des quasars montre aussi l’existence d’un très grand nombre de système de raies d’absorption qui permettent d’analyser la répartition de matière sur la ligne de visée du quasar et son évolution au cours du temps.

Ceci a permis de mettre en évidence l’existence de halos diffus autour des galaxies et d’étudier les propriétés du gaz intergalactique.

Les quasars, comme système de référence lointain ont également permis de remesurer avec plus d’exactitude les phénomènes relativistes de déviations lumineuses par le Soleil grâce à des systèmes d’interféromètres radio intercontinentaux précis à 0,3 millionième de degrés d’angle.

La seconde vérification de la relativité est l’obtention de mirages gravitationnels de quasar par l’interposition de galaxies sur la ligne de visée.

En outre, les quasars permettent d’établir des points de références quasi absolues sur la voûte céleste, ce qui permet de mesurer tous les mouvements avec une précision inégalée. Tel le mouvement du noyau galactique, ce qui permet de mesurer le déplacement du Soleil dans la Galaxie et les variations du mouvement de rotation de la Terre dus à des phénomènes atmosphériques, tectoniques, sismiques ou magnétiques.
 
 

2.9 Les galaxies naines.

On observe que les galaxies naines autour de notre Galaxie forment un système à peu près plan. L’âge de leurs plus vieilles étoiles est comparable à l’âge des amas globulaires du halo et leurs compositions chimiques sont comparables: elles contiennent très peu de métaux. Il semble donc que les galaxies naines soient le reliquat du disque de notre protogalaxie.

La variation de métallicité entre les étoiles d’une même galaxie naine est très grande, couramment de l’ordre de plusieurs dizaines contre une dispersion de 2 à 3 pour les étoiles du disque galactique.

Ce fait s’explique par le mécanisme du vent chaud.

En effet des qu’une génération de supernovae apparaît, le gaz interstellaire est fortement échauffé et, si la galaxie naine est peu massive, la vitesse d’agitation du gaz devient telle que le gaz s’échappe hors de la galaxie ; la formation d’étoiles s’interrompt.

En outre par conservation de l’impulsion du système les vitesses individuelles des étoiles augmentent et le volume de la galaxie s’accroît ce qui réduit fortement leur densité.

Ainsi, dès qu’une galaxie naine de 100 millions de masses solaires forme 1% d’étoiles, la proportion de supernovae suffit à faire disparaître tout le gaz et la galaxie subsistante ne fait plus qu’un million de masses solaires sur un volume encore plus élevé que le volume initial.

Ce modèle suffit à expliquer les caractéristiques principales des galaxies naines.
 
 

2.10 Galaxies en interaction

1 à 2 % des galaxies seraient actuellement en interaction. Cette proportion semble élevée considérant que la durée de vie des formations résultantes n’est qu’un dixième de l’âge de l’univers et que la distance entre les galaxies est en moyenne de cent fois la taille visible des galaxies.

Mais les galaxies ont tendance à se former en amas et l’étude de la cinématique des gaz éloignés de la galaxie semble indiquer la présence d’halos de matière invisible jusqu’à une distance de dix fois le diamètre visible.

Les filaments observés lors des interactions semblent dus aux tubes de champ magnétique en interaction. Les interactions produisent des ponts de matière et des queues, c’est-à-dire des lignes de matière partant dans des directions diamétralement opposées.

Or les ponts disparaissent assez vite car les étoiles et les gaz sont rapidement absorbés par l’une ou l’autre galaxie. Par contre l’impulsion donnée aux étoiles et gaz leur donne une vitesse non circulaire qui va permettre aux filaments de se déployer puis de se recourber avec la rotation différentielle.. Les déformations ne viennent pas du tout des collisions mais sont des effets de marées entre les galaxies.

L’effet n’est intense que si la galaxie incidente approche dans le sens de rotation de la galaxie objet, augmentant ainsi le temps d’interaction. Dans le sens contraire, l’effet peut se réduire à un simple gauchissement des plans galactiques. Une perturbation due aux effets de marées engendre une onde de densité de forme spirale qui se propage vers l’intérieur et s’amplifie. Environ 15 à 20% des galaxies spirales à deux bras pourraient être dues à ces effets de marrées. Néanmoins il existe un grand nombre de galaxies spirales isolées.

L’extrémité des filaments est la zone de compression du gaz interstellaire la plus forte. Ces protubérances pourraient engendrer des galaxies naines qui subsisteraient après la dispersion des filaments.

Une perturbation du plan galactique (par exemple de la Voie Lactée par le Grand Nuage de Magellan) peut subsister très longtemps et n’être amortie que bien après la perturbation, du fait de la répartition sphérique des masses dans le halo.

Les extrémités seraient une sorte de drapeau claquant au vent. Ceci expliquerait le fait que 80% des galaxies spirales ont leurs bras externes tordus en forme de S. Ainsi le profil de la Voie Lactée ne serait pas plan mais aurait la forme d’une intégrale, les deux extrémistes gazeuses se relevant dans des sens opposés.

Dans les cas plus rares de collisions quasi frontales, les bras spiraux qui se forment deviennent des anneaux. Le passage de la galaxie collisionneuse vers le centre provoque un rétrécissement du disque et après son départ les étoiles ont acquis trop de vitesse par rapport à leur position ; elles rebondissent du centre et s’éloignent en formant un anneau.

Bien souvent le phénonème est incomplet et il ne se forme que des rides concentriques en arc de cercle.

A l’inverse le noyau peut être éjecté, la collision agissant différemment sur le noyau et le disque diffus.

Deux galaxies peuvent aussi entrer en coalescence. Les galaxies se rapprochent l’une de l’autre en décrivant des spirales. Elles finissent par fusionner dans un temps de l’ordre de quelques centaines de millions d’années. La phase coalescence est relativement brève et deux bras symétriques finissent par se détacher d’un ensemble informe où les éventuels bras et bulbe ont disparu.

La matière se réarrange progressivement par auto gravitation. L’ensemble forme un système sphéroïdal regagnant une symétrie axiale en quelques centaines de millions d’années. Les fusions au centre des amas forment des objets super massifs dits cannibales de l’ordre de 100 fois la masse de notre Galaxie.

Il est possible que les interactions fréquentes dans les amas fassent disparaître le halo galactique et empêchent celui-ci de s’effondrer en disque. Ceci expliquerait la proportion plus élevée de galaxies elliptiques et lenticulaires dans les amas.

La formation des galaxies semblerait donc souvent dépendre de son environnement.

La densité des galaxies est liée à leur décalage spectral (dans le cube de ce décalage car ce décalage représente le volume qu’avait alors le volume de l’univers aujourd’hui observable); les interactions entre galaxies étaient donc bien plus nombreuses dans le passé, les galaxies étant moins organisées en structure, les parcours étaient plus chaotiques renforçant ainsi le nombre d’interactions.

Les interactions étaient génératrices de flambées d’étoiles ce qui alimentait en retour les quasars des centres galactiques en renforçant leurs impacts sur leurs galaxies hôtes.

La compréhension des phénomènes d’interactions entre les galaxies est donc essentielle pour mieux déterminer comment les amas et superamas ont pu évoluer jusqu’aux structures actuelles où des filaments de plusieurs centaines de millions d’A.-L. ont formé des " murs " réunissant des milliers de galaxies.

Il apparaît que ces formations entre murs et bulles cosmiques se répètent ainsi sur une profondeur de 3 milliards d’A.-L.

L’objectif actuel est double:

- disposer de sondages à large champ pour confirmer que le phénomène de formation des filaments à grande échelle est constant dans l’univers et pour éventuellement découvrir des structures plus larges que les superamas

- réaliser des sondages profonds pour sinon voir apparaître ces filaments du moins déterminer comment ils ont évolués pour aboutir aux structures actuelles.

Ces sondages constituent l’étape qui précède la découverte du Graal des astrophysiciens; observer la formation des premières galaxies et trancher entre les deux origines envisagées: la formation par réunion d’amas stellaires et la fragmentation stellaire de crêpes gazeuses primordiales, à moins que la solution ne soit intermédiaire entre ces deux scénarios.
 
 
 
 

3Les rayons cosmiques

Les rayons cosmiques sont des noyaux atomiques et de particules élémentaires qui voyagent dans l’espace à une vitesse proche de celle de la lumière.

Lorsque ces rayons cosmiques pénètrent dans l’atmosphère leurs interactions avec les noyaux d’azote et d’oxygène provoque des gerbes secondaires de particules.

Ces rayons cosmiques sont les seuls échantillons de matière qui nous parviennent d’au-delà du système solaire.

Leurs énergies sont considérables car un seul noyau d’hydrogène peut posséder une énergie cinétique de plusieurs dizaines de joules; le microscopique possède alors la puissance du macroscopique.

Cependant la majorité des particules a une énergie cent milliards de fois moindre. . Si une particule sur 100 millions est un rayon cosmique, l’énergie moyenne pour un volume donné des rayons cosmiques est du même ordre que l’énergie du gaz interstellaire.

Les rayons cosmiques étant ionisés vont suivre les lignes du champ magnétique galactique. Ce champ est fort peu connu à l’extérieur du système solaire mais les lignes de champ semblent parallèles au plan galactique et des fluctuations d’une centaine de parsecs ont été détectées.

Les rayons cosmiques n’ont pas de direction origine particulière au-dessous d’une énergie de 10¹⁶ électrons volts ( énergie acquise par un électron sur 1 m dans un champ de 1 millivolt).

Au-dessus, l’anisotropie augmente fortement et tous les protons de 7*10¹⁹ électrons volts proviennent de la direction Nord galactique. A cette énergie le champ galactique ne peut pas confiner ces particules; leur source est donc extragalactique.

Par contre les noyaux de fer ou d’oxygène de même énergie peuvent être confinés par le champ magnétique galactique; ils pourraient provenir de la surface des pulsars dont ils seraient éjectés par des champs électrostatiques considérables.

La mesure des abondances relatives d’isotopes instables permet de déterminer leur âge, variant de 15 à 20 millions d’années. En combinant ce résultat avec le libre parcours moyen d’une particule soumise à des chocs destructifs, on trouve que ces particules ont du séjourner dans un milieu d’une densité de 0,2 atomes par m³, et donc probablement dans le halo de notre Galaxie.

L’astronomie en rayon gamma nous révèle aussi l’uniformité des rayons cosmiques qui interagissant avec la matière produisent ce rayonnement. Les résultats suggèrent que les rayons cosmiques sont uniformes dans le halo entourant le plan galactique.

Les galaxies à noyaux actifs sont fortement émettrices de rayons cosmiques. Le noyau compact émet un spectre continu de la longueur d'onde radio aux gammas. La polarisation du champ permet de l’attribuer à des électrons ultra relativistes.. Leur spectre doit décroître selon une loi: Nombre proportionnel à Energie ^(-2,6) (500 fois moins de particules 10 fois plus énergétique). Ce spectre théorique est très semblable au spectre des rayons cosmiques (électrons et noyaux ) observés sur Terre.

Ces radiosources doivent donc être d’importantes sources de rayons cosmiques.

Haut de page