C'est ensuite la formation du gaz interstellaire, l'accrétion de la poussière et la formation des étoiles qui auraient accentué le mouvement de rotation qui est aujourd'hui très marqué dans les galaxies spirales telles que M51 "la galaxie tourbillon" ou M83 présentée ci-dessous.

Par ailleurs il semble exister un sens préférentiel de rotation sans qu'on puisse l'expliquer. Mais il est impossible de conclure aujourd'hui qu'il s'agit d'une tendance générale à grande échelle ou d'un épiphénomène présent dans un nombre restreint de galaxies ou d'amas. On a également constaté un regroupement des galaxies autour des quasars. Quant à conclure qu'il existe un lien de cause à effet avec les effets gravitationnels induits par un éventuel trou noir caché au sein des quasars, ce n'est que pure spéculation. Il faut par ailleurs tenir compte des effets induits par la matière et l'énergie sombre contenues dans les galaxies et dont on connaît très peu de choses.

M51 et M83, deux galaxies marquées par un mouvement spiralé prononcé qui s'est déclenché voici plus de 10 milliards d'années. Documents Roland Christen (MCT 10") et Steven Juchnowski (Celestron C11). Voici une image de M51 prise par le HST et de M83 prise par le VLT.

Là dessus tant les radioastronomes que les astronomes du STSCI qui étudient les images en haute résolution prises par le Télescope Spatial Hubble sont d'accord. Mais personne ne sait exactement comment se forment les bras spiraux des galaxies. On en appelle aux ondes de densité de Lin-Shu (voir plus bas) qui se propagent à travers la galaxie et finissent par s'enrouler, mais les modèles sont encore imprécis. On pense que la matière, visible et sombre, ne se déplace pas avec les bras mais serait plutôt capturée par ceux-ci. Voyons cela en détail.

Rappel historique

La conception habituelle de la dynamique de la Voie Lactée fut bouleversée en 1930 par les mesures faites par Jan Oort qui découvrit que les mouvements des étoiles dans notre Galaxie ne corroboraient pas les effets gravitationnels. Il estima le défaut de masse à plus de 50%. Trois ans plus tard, l'astronome suisse Fritz Zwicky[1] découvrit que pour équilibrer la force centrifuge de la Voie Lactée, la masse des étoiles devait être 10 fois supérieure aux relevés optiques. L'amas Virgo présentait le même phénomène et ce rapport était plus élevé encore pour les autres amas.

Dans les années 1970 les observations de Vera Rubin, astronome à la Carnegie Institution de Washington, de F.Hartwick de l'Université canadienne de Victoria et de W.Sargent[2] de Caltech confirmèrent ces résultats. Réalisant des spectrogrammes de la Voie Lactée et des galaxies, ces analyses ont démontré que la vitesse de rotation des galaxies augmentait comme prévu avec la distance - jusqu'à 2 ou 5 Kpc - puis au lieu de diminuer se stabilisait ensuite jusqu'aux limites de la galaxie, soit 40 Kpc dans le cas de M83, 50 Kpc pour la galaxie Sb UGC 12810 et 60 Kpc pour la Voie Lactée. Les courbes de rotation de NGC 4378 (Sa), NGC 4565 (Sb) et M83 (Sc) sont exemplaires à ce sujet. Tous les éléments de cette structure en spirale semblent entraînés sensiblement à la même vitesse, tant en périphérie que près des bras intérieurs et n'obéissent plus à la troisième loi du mouvement de Kepler[3].

Les acteurs et actrices Jan Oort, Vera Rubin et Fritz Zwicky. Documents Sonoma, Vassar et U.Harvard.

Méthodes et mesures

La courbe de rotation de la Voie Lactée obtenue par Blitz en 1980 indique que toute la matière tourne à une vitesse oscillant entre 200 et 300 km/s. Alors que l'aspect bulbeux du noyau semble indiquer que la majorité des étoiles sont tassées près du centre, les spectrogrammes révèlent que près de 90% de la matière est invisible. Etant donné que la Voie Lactée n'est pas une structure figée mais gazeuse, elle doit accuser un mouvement différentiel qui s'accentue à mesure que le temps s'écoule[4]. Les étoiles de la périphérie sont donc en retard sur la course des étoiles proches du noyau. Mais ce phénomène n'est pas confirmé pour toutes les galaxies et témoigne de la présence d'une quantité importante de matière non lumineuse à plus de 5 Kpc du noyau. La densité de la Voie Lactée, évaluée à 0.15 Ms/pc³ est 18 fois plus élevée que la valeur généralement admise. Elle confirme la réalité du modèle de la matière sombre que nous avons détaillé dans l'ouvrage consacré à la théorie du Big Bang.

La méthode des isovitesses permet de représenter les galaxies sous la forme d'une "araignée" radioélectrique dont les extensions représentent les champs des isovitesses. Quasiment tous les graphiques d'isovitesses accusent un mouvement différentiel en périphérie (les courbes sont inclinées). Mais un grand nombre de galaxies présentent des déformations en forme de S près du noyau.

Ces irrégularités témoignent de la présence d'une barre transversale, il s'agit de galaxies barrées. Enfin, certaines anomalies sont attribuées à des perturbations structurelles que l'on appelle des "ondes de densité". Ces deux méthodes cinématiques, les champs des isovitesses et les courbes de rotation permettent d'élaborer un modèle théorique des galaxies. La Voie Lactée par exemple qui est un système dynamique devrait perdre toute structure spirale au bout d'un milliard d'années environ. Si les bras étaient solides ils finiraient par se resserrer autour du noyau suite à leur vitesse différentielle. Pour expliquer la persistance de cette structure et sa symétrie, l'astrophysicien suédois Bertil Lindblad[5] imaginait en 1963 que les galaxies formaient des structures solides, offrant le même moment angulaire près du centre et en périphérie. Nous avons des exemples caractéristiques avec M31 et M81.

Transformation d'une galaxie (Mpeg de 1.2 MB)

C'est à partir de cette idée que les astrophysiciens Lin et Shu ont posé l'existence d'ondes de densité[6] pour expliquer la persistance des structures spiralées.

Ils suggérèrent que les bras spiraux étaient semblables à des ondes stationnaires, permettant aux nuages d'hydrogène de s'agglomérer pour former de nouvelles étoiles. En d'autres termes les galaxies ne tournaient pas contrairement à l'idée généralement admise ! D'autres galaxies, principalement filamentaires telle NGC 2841 présentent un grand nombre de petits bras dont la durée de vie est très courte. Ils abritent une population d'étoiles jeunes. Leur formation s'explique sans référence aux ondes de densité: nous assistons tout d'abord à la formation des étoiles, ensuite les bras s'enroulent autour du noyau par rotation différentielle. On dit que ces galaxies ont une structure "stochastique".

Si les ondes de densité expliquent la formation des galaxies spirales, rien ne permet d'appliquer ce modèle aux galaxies elliptiques. De part leur structure, il est impossible de connaître l'angle d'inclinaison de l'ellipticité et de déterminer leur aplatissement intrinsèque. Il faut donc utiliser une autre méthode qui consiste à corréler les courbes de vitesse (courbe de rotation/dispersion de vitesse) en fonction de l'aplatissement apparent des galaxies. Selon R.Davies[7] et G.Efstathiou les valeurs ainsi obtenues démontrent que la rotation est très insuffisante pour être responsable de l'aplatissement que l'on observe. D'autres modèles ont été proposés, notamment des systèmes en forme de prolate mis en rotation autour d'un des petits axes de la galaxie et des modèles triaxiaux. Ces deux modèles sont étayés par des simulations et par les courbes isophotes qui révèlent un excès systématique de brillance le long du grand axe.

Simulation de l'interaction entre M51 et M52.

En fait, il semble que toutes les galaxies elliptiques aient une symétrie sphérique. Etant donné que certaines sont aplaties, l'étude des perturbations (problème à N corps) permettra probablement d'affiner les modèles actuels. Ce modèle est d'autant plus intéressant qu'il s'adapte aussi à l'étude des galaxies spirales.

2eme partie