LES AMAS GLOBULAIRES
ET LA STRUCTURE DE NOTRE GALAXIE

Par Guy MIZRAHI
Le Regard de l'Astronome - N°5 - HIVER 1995

Lequel d'entre nous n'a jamais entendu parler de M13, l'un des joyaux de notre ciel boréal.

Magnifique amas globulaire dans la constellation d'Hercule.
(Image CCD réalisée par P. Mauroy -CIS, au foyer d'un C8).

Au début d'une belle soirée d'été sans nuages, la constellation d'Hercule vous apparaîtra au zénith juste au-dessus de votre tête (munissez-vous d'un renvoi coudé ou allongez-vous sur une chaise longue). Le centre de cette constellation difficile à reconnaître est occupé par quatre étoiles formant un quadrilatère beaucoup plus petit et nettement moins brillant que le célèbre carré de Pégase. Mais lorsque vous l'aurez repéré, il vous sera facile de trouver, au tiers de son plus grand côté, une nébulosité visible à l'œil nu lorsque le ciel est très noir, et surtout dès que l'on utilise une paire de jumelles. Bien sûr, plus le diamètre de votre instrument sera important, plus le spectacle de ces centaines d'étoiles serrées les unes contre les autres sera fascinant.

Découvert en 1714 par Halley¹, cet amas globulaire fut retrouvé cinquante ans plus tard par Messier² qui lui attribuera le numéro 13 de son célèbre catalogue.

Mais qu'est-ce au juste, un amas globulaire ?

Le catalogue que nous venons d'évoquer (110 numéros au total) en comporte 29, bien que Messier lui-même n'en ait jamais rien su car il les décrivait le plus souvent comme "une nébuleuse sans étoile" (la seule exception semble être M4 dans le Scorpion "amas d'étoiles très petites"). En fait, il s'agit de groupements très serrés d'étoiles fort nombreuses (parfois plusieurs millions) à ne pas confondre avec les amas galactiques (ou amas ouverts), beaucoup plus lâches et beaucoup moins peuplés dont le plus bel exemple est l'amas des Pléiades.

Deux d'entre eux portent des noms d'étoiles (Oméga du Centaure et 47 du Toucan) mais on en dénombre environ 150 dans notre galaxie.

Répartition des amas globulaires connus de notre galaxie (figure extraite de "Ciel & Espace" nov 95)

Ils ont joué un rôle tout à fait central dans la découverte de la structure de notre galaxie. En effet, dans les années 1920, Harlow Shapley (1885-1972) fit une étude systématique de la distance de ces amas globulaires. Pour cela, il se servit de certaines étoiles variables que l'on trouve fréquemment dans les amas globulaires et que l'on appelle "RR Lyrae". Pour ce type de variables, la relation entre la période de variation (généralement quelques heures) et la luminosité intrinsèque avait été précédemment établie et calibrée sur des exemples proches. Ainsi ces étoiles, de même que les céphéides dont elles constituent un sous-ensemble, peuvent servir de "chandelle standard" permettant de calculer leur distance. Connaissant la distance et la direction de plusieurs dizaines d'amas globulaires, Shapley se rendit alors compte qu'ils occupaient dans l'espace un volume sensiblement sphérique qui, contrairement à toute attente, n'était pas centré sur le Soleil. En effet, de même qu'il fut très difficile de faire admettre au XVIIème siècle que la Terre n'était pas le centre du monde, personne, jusqu'aux travaux de Shapley, dans la communauté scientifique, n'avait imaginé que le Soleil ne fut pas au centre de la galaxie (ou de l'univers, ce qui était à peu près la même chose à l'époque). Nous avons donc assisté au début de ce siècle à une sorte de deuxième révolution copernicienne qui, fort heureusement, n'eut pas à vaincre les mêmes oppositions et réticences que la première. Shapley fit aussitôt l'hypothèse, largement acceptée et assurée par la suite, que le volume occupé par les amas globulaires était une sorte de halo entourant notre galaxie dont le centre se trouvait être un point situé dans la constellation du Sagittaire à une distance du Soleil dont l'estimation fut fort délicate et que l'on apprécie généralement aux alentours de 30 000 années-lumière (s'il n'était entouré d'un épais nuage de gaz et de poussières, la lumière émise par le centre galactique mettrait 30 000 ans à nous parvenir).

Un problème intimement lié à l'étude de ces amas globulaires est l'existence dans l'univers de 2 populations d'étoiles. Cette distinction fut établie par Walter Baade (1893 - 1960) dans les années 1940 lorsqu'il remarqua qu'il pouvait classer les spectres des différentes étoiles en 2 catégories :

• la première dite "Population I" comporte des étoiles riches en éléments lourds ce qui montre qu'elles ne sont pas de première génération puisqu'à l'origine, l'univers n'était constitué que d'hydrogène et d'hélium (plus quelques traces de lithium et de béryllium) et que lesdits éléments lourds n'ont été synthétisés que plus tard dans le cœur des étoiles massives puis répandus dans le milieu interstellaire lors de la mort explosive de ces étoiles (phénomène appelé supernova). Ces étoiles de 2ème génération (ou plus) sont donc relativement jeunes. Dans une galaxie spirale, elles occupent principalement les bras et le disque.

• la deuxième dite "Population II" comporte les étoiles de première génération très pauvres en éléments lourds. Il faut admettre que ces étoiles sont donc les plus vieilles et qu'elles ont à peu près l'âge de l'univers. Dans une galaxie, on les trouve principalement dans le bulbe central mais certaines d'entre elles occupent tout l'espace du halo.

Le diagramme magnitude-couleur d'un ensemble d'étoiles montre que beaucoup d'entre elles se placent le long d'une ligne nommé "séquence principale". C'est la situation stable des étoiles qui opèrent en leur cœur la fusion de l'hydrogène en hélium. Mais les plus massives d'entre elles "meurent" les premières et quittent petit à petit cette séquence principale. Il en résulte une figure présentant une courbure prononcée (le "coude" ) dont la position permet d'évaluer l'âge de l'amas. Les données du diagramme figuré ci-dessus représentent l'amas globulaire 47 du Toucan (figure extraite de "Pour la Science" août 85).

Par leur répartition géographique, les amas globulaires se rapprochent évidemment de la population II. De fait, il y a un moyen de calculer l'âge d'un amas d'étoiles en faisant l'hypothèse qu'elles sont toutes nées en une fois. Il faut pour cela placer sur un diagramme luminosité-couleur tous les points représentant les étoiles de cet amas (ou le plus possible). Le nuage de points ainsi obtenu dessine une figure assez compliquée dont un des éléments (le "coude") permet de dater l'âge de l'amas. Et l'on constate que tous les amas globulaires dont on a pu, par cette méthode, estimer l'âge, sont vieux d'environ 14 à 18 milliards d'années (par comparaison, l'âge de l'amas des Pléiades est approximativement de 100 millions d'années).

Ainsi, une explication simple et séduisante à l'existence des amas globulaires semble apparaître : plus vieux objets de notre galaxie, ils occupent une répartition spatiale qui est le reflet de sa forme des premiers temps (avant qu'elle ne se fut aplatie en un disque spiralé), une énorme boule de gaz.

Pourtant, plusieurs mystères subsistent par rapport à ce cadre général : la richesse en éléments lourds de certaines étoiles des amas globulaires semble très proche de celle du Soleil (une étoile typique de population I) ; l'âge estimé de ces amas semble trop important par rapport à certains modèles cosmologiques qui n'accordent à l'Univers que 12 à 13 milliards d'années.

Un dernier aspect de l'étude des amas globulaires n'a été qu'effleuré : notre galaxie est-elle un cas particulier et trouve-t-on de ces objets autour d'autres galaxies dans l'Univers ? La réponse est non à la première question et oui à la deuxième (le contraire eut été étonnant). Ainsi, un recensement systématique de la fin des années 1970 a dénombré 355 amas globulaires probables autour de la Galaxie d'Andromède, notre plus proche voisine spirale (2 millions d'années-lumière seulement). Le record semble être détenu par M87, la plus grosse galaxie de l'amas de la Vierge, qui en comporterait plus de 10 000.

Y a-t-il un lien entre la taille d'une galaxie et le nombre de ses amas globulaires ? Décidément, ces magnifiques objets n'ont pas encore livré tous leurs secrets mais la prochaine fois que vous admirerez M13 ou l'un de ses semblables dans votre instrument, pensez à tout ce qu'on sait d'eux (leur âge vénérable, leur position dans le ciel, leur rôle dans la structure de la galaxie) et à tout ce qu'on ignore. Le spectacle n'en sera que plus merveilleux.

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