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L'univers et les galaxies

M31 photographiée par Bob Gendler avec un télescope Ritchey-Chrétien de 328 mm f/9 muni d'une caméra CCD SBIG-10. Compoiste LRGB.

La galaxie d'Andromède, M31

Au plus profond du cosmos

Notre Galaxie, la Voie Lactée, est isolée dans l'espace mais elle n'est pas toute seule. A part quelques galaxies naines satellites de la Voie Lactée, la galaxie la plus proche de nous est celle d'Andromède, M31. Elle se trouve à... 2.5 millions d'années-lumière, ce qui représente plus de vingt fois le diamètre de la Voie Lactée !

Entre les deux il n'y a rien, c'est le vide. Et comme il n'y a pas d'étoiles, pas d'air, pas de vent, bref rien du tout, il fait un froid glacial, -270°C ! C'est la température la plus basse du monde, que dis-je de l'Univers...

En revanche, près des nébuleuses ou des étoiles il peut faire très chaud, plus de 10000°C. Il peut aussi y avoir des turbulences, des ondes de chocs capable de briser des planètes, des poussières se déplaçant à plusieurs millions de km/h et des rayonnements très nocifs commes les UV, les rayons gamma et les rayons cosmiques (composés de noyaux d'atomes et de particules élémentaires) qui peuvent arracher l'atmosphère d'une planète et brûler tout ce qui vit à sa surface. Bref, le vide qu'on appelle l'espace interstellaire situé entre les étoiles est vraiment un endroit très inhospitalier où il ne fait pas bon vivre.

Les galaxies étant composées d'étoiles, de gaz et de poussière en mouvements, elles prennent différentes formes : en spirale avec des bras plus ou moins serrés ou relâchés, elliptique plus ou moins sphérique ou aplatie ou irrégulière, sans forme définie, souvent suite à une collision avec une autre galaxie (voir plus bas). Les galaxies ont une couleur qui dépend de l'âge des étoiles et de la présence ou non de gaz et de poussière. Les jeunes étoiles très chaudes donnent une couleur bleue aux galaxies tandis que les vieilles étoiles leur donnent une couleur jaune-orangée. Généralement, les vieilles étoiles se rassemblent au centre des galaxies, dans le bulbe, lui donnant une coloration dorée comme on le voit très bien sur la photo de M31 ci-dessus. La présence de gaz comme l'hydrogène qui est très présent dans l'univers peut aussi colorer certaines régions des galaxies en rouge. Combiné à des nuages de poussière, ce sont des endroits où se forment de nouvelles étoiles. Ils sont généralement situés dans les bras des galaxies spirales.

Au-delà de la Voie Lactée, de ses petites galaxies satellites et de Messier 31, il existe des centaines de milliards d'autres galaxies. Certaines sont situées à plusieurs milliards d'années-lumière, si loin qu'elles paraissent comme des étoiles rouges ou bleues un peu floues sur les photographies prises par les télescopes spatiaux comme le Télescope Spatial Hubble.

A gauche, la galaxie spirale M81 et la galaxie irrégulière M82 dans la constellation de la Grande Ourse. Ce couple de galaxies situé à environ 11 millions d'années-lumière. A droite, l'amas de galaxies du Lion comprenant M65, M66 et NGC 3628. Ces trois galaxies sont situées à environ 35 millions d'années-lumière. Toutes les étoiles que tu vois autour de ces galaxies sont en fait situées à l'avant-plan; elles appartiennent à notre Galaxie à travers laquelle tu observes les autres galaxies. Comme des centaines d'autres galaxies tu peux les observer dans un petit télescope d'au moins 10 cm de diamètre. Elles ressemblent à de petites taches grises et un peu floues. Seule la photographie à longue pose permet de distinguer leur forme et leurs couleurs.

Les amas de galaxies

Selon leur taille et l'époque de leur formation, les galaxies contiennent entre quelques milliards d'étoiles de la masse du Soleil dans le cas d'une galaxie naine et quelques cent mille milliards d'étoiles dans le cas de la galaxie géante IC 1101. Toute cette masse attire les galaxies voisines. Elle se rassemblent en général pour former des amas de galaxies et même parfois des amas d'amas de galaxies qu'on appelle des superamas de galaxies. Ils peuvent rassembler une poignée de galaxies comme l'amas de la Grande Ourse ou du Lion (voir photos ci-dessus) mais certains peuvent compter plusieurs dizaines de milliers de membres ! Ainsi la Voie Lactée fait partie du groupe Local qui comprend également la galaxie d'Andromède M31 ainsi que ces deux satellites M32 et NGC 205, la galaxie M33 du Triangle, NGC 147, NGC 185 et d'une cinquantaine d'autres galaxies naines. Elles sont distribuées sur une distance d'environ 4.2 millions d'années-lumière (SagDIG).

Amas d'Hercule.

Amas de la Vièrge. Amas de Coma Berenices.

Les amas de galaxies de Hercule (Abell 2151), de la Vierge (Virgo) et celui de Coma (Abell 1656). Ils comprennent chacun plus de 30000 galaxies et s'étendent en moyenne sur 30 millions d'années-lumière. Leur masse représente environ 20000 fois la Voie Lactée !

Enfin, l'amas Local au centre duquel se trouve la Voie lactée est entouré d'une vingtaine de petits amas et d'une trentaine de galaxies isolées et forme le Superamas de la Vierge, également appelé le superamas Local. Il s'étend sur environ 25 millions d'années-lumière. L’amas Local se trouve sur le bord de cette structure dont le centre se situe à 600 millions d’années-lumière de la Voie Lactée.

Les collisions entre galaxies

Lorsque les galaxies se rapprochent les unes des autres, elles peuvent entrer en collision. Mais comme tu peux t'en rendre compte en observant les étoiles proches du Soleil et les autres galaxies au télescope, il y a beaucoup d'espace vide entre les étoiles et plus encore entre les galaxies. Aussi, lorsqu'elles entrent en collision, il ne se produit aucun impact, aucune explosion car les étoiles passent très loin les unes des autres. En fait c'est comme si tu mélangeais de l'air froid avec de l'air chaud ou du lait avec du choco : tu n'entends pas d'explosion dans ton verre et pourtant les deux matières sont bien mélangées ! Il se produit exactement la même chose avec les galaxies.

La collision entre deux galaxies

Simulation de la collision entre la Voie Lactée et la galaxie d'Andromède M31 qui se produira dans 3 milliards d'années. Les cinq étapes sont séparées d'environ 400 millions d'années. Cliquer sur l'image pour voir un agrandissement plus détaillé ou chaque étape est séparée de la suivante de 170 millions d'années. Clique ici pour charger une petite animation (mpeg de 1 MB).

En revanche, en raison de l'attraction qu'excerce chaque galaxie, les trajectoires des étoiles sont fortement perturbées lorsqu'elles passent les unes près des autres, parfois à seulement à quelques milliards de kilomètres de distance. Etant donné qu'une galaxie est très grande et contient beaucoup d'étoiles, les deux galaxies vont se déformer durant plus d'un milliard d'années avant de fusionner ensemble. Si les deux galaxies ont la même taille et la même masse, le résultat sera une galaxie soit elliptique plus ou moins sphérique soit elle restra disloquée et irrégulière très longtemps.

Quelquefois si les galaxies entrent doucement en collision, elles se déforment peu et conservent leur forme spirale après la collision mais parfois elles sont méconnaissables et prennent une forme irrégulière, leurs bras spiraux s'éloignant très loin dans l'espace tandis que leur noyau s'entoure de nuages de gaz très tourmentés, lançant des bras et des jets de matière dans tous les sens.

Des galaxies en collision photographiées par le Télescope Spatial Hubble. De gauche à droite, NGC 2207 et IC 2163, NGC 4038/39 dite "les Antennes" et Arp 273. Documents NASA/ESA/STScI.

L'univers ne se limite pas aux étoiles et aux galaxies. Il contient beaucoup d'autres objets qui ressemblent aux galaxies mais qui brillent beaucoup plus fort ou émettent des ondes radios, des rayons X ou gamma beaucoup plus intenses : ce sont les quasars.

Les quasars

Lors de leur découverte, les premiers quasars étaient tellement brillants qu'on les a confondus avec des étoiles bleues un peu floues et un peu particulière. Elle émettaient de puissantes ondes radios, parfois même des rayons X et UV et présentaient des raies spectrales en émissions, ce qui était inhabituel pour des étoiles ordinaires. On les appela les objets quasi stellaires (QSO) ou objets bleus stellaires (BSO) et bientôt "quasar" (quasi-stellar object). La nature de ces astres est restée mystérieuses pendant plus de 20 ans et on a longtemps cru que c'était des galaxies en explosion.

3C273

Le quasar 3C273.

On se rendit compte qu'un quasar comme 3C273 dont on voit une photo à gauche qui est à peine différent d'une banale étoile bleue est aussi lumineux que 1000 galaxies ! Ce quasar est visible à la magnitude 12.8 dans la constellation de la Vierge. On a du mal à croire qu'il se situe à plus de 2 milliards d'années-lumière car à le voir on croirait qu'il se trouve tout près de la Voie Lactée.

En analysant le spectre des quasars, on découvrit que la plupart se situent entre ~1 et 10 milliards d'années-lumière ! Ils comptent parmi les objets les plus éloignés de l'univers et présentent une activité phénoménale qu'on ne retrouve plus dans aucune galaxie proche ni dans la Voie Lactée.

Après des années de recherches, tous les quasars, y compris les plus calmes et les plus bruyants sur les ondes radios, présentant une bande de poussière ou ressemblant à des galaxies, furent rassemblés sous le nom génétique de galaxies à noyau actif (AGN).

Finalement, étant donné les particularités de leurs rayonnements, on comprit que les quasars sont des galaxies relativement jeunes ou réactivées dont le noyau émet une énergie qui n'est pas émise par des étoiles ni aucun astre que les astronomes connaissaient à l'époque (dans les années 1970-1990). Mais alors, quel est l'origine de cet intense rayonnement ?

Après de longs débats et de nombreuses simulations sur ordinateurs, aujourd'hui les astronomes pensent que les quasars doivent leur exceptionnelle activité à un gigantesque trou noir qui se cacherait dans leur noyau... Mais qu'est-ce qu'un trou noir et comment émet-il autant d'énergie ?

Les trous noirs

Le trou noir dont tout le monde a entendu parlé est un objet astrophysique résulttant de l'effondrement sur elle-même d'une étoile massive parvenue en fin de vie. Devenue trop lourde, elle s'écrase et implose sous son propre poids tandis que toute son atmosphère est expulsée dans l'espace. En même temps, son noyau mis à nu s'effondre jusqu'à devenir hyperdense et se transforme en trou noir. Arrivé à ce stade, il attire toujours la matière comme à l'époque où il était une étoile mais à présent son attraction à courte distance est tellement forte qu'il attire aussi la lumière qui ne peut plus s'en échapper, ce qui le rend invisible, tel un trou noir dans l'espace, d'où son nom. Quand on lit ça pour la première fois, on a effectivement du mal y croire. C'est pourtant scientifiquement exact.

Un trou noir né de l'effondrement d'une étoile présente en général un rayon de quelques kilomètres seulement (3 km si le Soleil avait la masse suffisante pour se transformer en trou noir) et n'émet aucun rayonnement. Mais comme il attire et absorbe la matière située autour de lui, il grandit et peut devenir gigantesque.

Il existe un autre type de trou noir dit supermassif. Il pèse l'équivalent de plusieurs milliards de Soleil et est aussi vaste que le système solaire (les candidats identifiés mesurent entre 1 et 347 UA de rayon soit jusqu'à 347 fois la distance de la Terre au Soleil). Il se serait formé directement à partir de l'effondement d'un immense nuage de gaz symétrique (sinon il se serait fragmenté) aussi grand qu'une galaxie.

L'attraction d'un trou noir supermassif est si forte qu'il capture tout ce qui passe dans un rayon d'au moins 10000 milliards de kilomètres soit ~1 année-lumière, y compris les éventuelles étoiles trop curieuses et dévie même les champs magnétiques à cette distance. Au bout de plusieurs milliards d'années, à force d'absorber de la matière, il peut s'entourer d'un disque d'accrétion composé de gaz et de poussière mesurant jusqu'à 10 années-lumière de diamètre !

Comment peut-on voir un trou noir s'il est invisible ? Il existe au moins quatre manières de le détecter. Si le trou noir est effectivement trop sombre pour être visible devant un ciel noir sans étoile, à courte distance il sera visible s'il se place devant un fond brillant (devant la Voie Lactée ou devant une galaxie), où on distinguera un point sombre attirant la matière et déformant localement les images des objets. A plus grande distance, puisque tout le gaz qu'il capture s'enroule autour de lui comme dans un tourbillon avant d'être englouti, il s'échauffe et devient brillant, ce qui permet de le localiser au centre de cet anneau de matière. S'il n'y a pas de gaz chaud visible, les étoiles qui sont attirées par le trou noir accélèrent également quand elles s'approchent de lui, ce qui permet aussi de déterminer à quel endroit il se trouve. Enfin, à l'aide des plus grandes radiotélescopes on peut aussi détecter le rayonnement émis par le gaz qui tombe dans le trou noir et dresser son image comme quand on prend une photo en infrarouge thermique qui fait ressortir les endroits chauds d'un objet.

A voir : L'origine des trous noirs

A gauche, la galaxie NGC 4261 est sous l'emprise d'un trou noir. Sur l'image de gauche on voit la galaxie (en gris) ainsi que les deux jets de rayonnement radios (en orange). Au centre, un gros-plan sur le disque d'accrétion interne composé de gaz et de matière ionisée très chauds. Il s'est formé suite à l'accumulation de matière qui s'est mise à tourbillonner autour du trou noir avant de s'y engouffrer. A droite, un dessin montrant l'activité d'un trou noir actif situé au coeur d'une galaxie. C'est le trou noir qui émet ces deux jets de matière, un peu comme la vapeur qui s'échappe d'une bouilloire trop chaude.

On peut voir ci-dessus à gauche une galaxie (la partie grise) au centre de laquelle se trouve un anneau brillant jaune-orange (sur l'agrandissement au centre). Le trou noir, invisible et minuscule à cette échelle, se trouve juste au milieu de l'image. C'est lui qui a formé l'anneau ou disque d'accrétion et qui est en train d'engloutir toute la matière qu'il contient à travers le petit tourbillon brillant qu'on aperçoit au centre !

A travers son interaction avec le disque d'accrétion, le trou noir est le seul astre qui peut créer assez d'énergie pour expliquer l'intense rayonnement des quasars et des autres galaxies dont le noyau est très brillant et très actif. Les astronomes ont découvert que la plupart des galaxies y compris la Voie Lactée abriteraient un trou noir et il serait même supermassif et donc de très grande taille et très influent. Toutefois, certains trous noirs absorbent peu de matière et n'émettent pas de jets. Dans ce cas, on dit qu'ils sont inactifs.

Comme nous le verrons dans le prochain chapitre, à l'avenir ces trous noirs vont grossir et probablement absorber toutes les étoiles et même toutes les galaxies de l'univers...

Mais au fait, c'est quoi l'univers ? Pourquoi est-il si vaste, comment est-il apparu et comment finira-t-il ? C'est l'objet du prochain chapitre.

Prochain chapitre

La théorie du Big Bang

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