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La Voie Lactée

La rotation différentielle de la Voie Lactée (III)

Il faut remonter aux environs de 1922 et des travaux de l'astronome hollandais Jacobus Kapteyn notamment pour que les astronomes découvrent que la Voie Lactée est un système dynamique dont la forme et les orbites de la matière obéissent à un équilibre global.

Kapteyn proposa l'un des premiers modèles de distribution des étoiles dans l'espace en appliquant le fameux théorème du viriel inventé par Clausius en 1870. Petit rappel sans démonstration mathématique, rassurez-vous.

Le théorème du viriel concerne les notions d'énergie potentielle et d'énergie cinétique d'un système fluide, qu'il s'agisse par exemple d'un gaz chaud ou d'une galaxie. Appliqué en astronomie, il définit l'équilibre gravitationnel d'un système, reliant son potentiel gravitationnel et son énergie cinétique. Concrètement, la forme des orbites des étoiles dépend des forces que le système galactique considéré comme un tout excerce sur ces étoiles. Le théorème du viriel permet par exemple de calculer la masse ou la quantité de chaleur d'une étoile ou d'un gaz en contraction et la quantité d'énergie utilisée à d'autres fins.

En résumé, le viriel représente la somme des forces agissantes en divers points et plus précisément l'énergie cinétique moyenne du système. Dans le cas qui nous occupe, en pratique on ne calcule que la vitesse radiale des étoiles (ou des amas) mais c'est suffisant pour calculer la masse des galaxies (ou des amas).

Kapteyn avait montré que la Voie Lactée pouvait être représentée par un système dynamique dans lequel il existe un équilibre entre le champ gravitationnel des étoiles et leurs mouvements aléatoires et de rotation. Son modèle était composé d'un disque stellaire aplati de 15 kpc x 3 kpc soit 30 à 50 % plus petit que la taille réelle de la Voie Lactée, avec un Soleil décentré et une décroissance rapide de la densité stellaire vers l'extérieur. Il présumait également que l'espace entre les étoiles était transparent. En réalité ce modèle n'était pas conforme à la réalité.

Sur base de ce modèle et du théorème du viriel, en 1922 Kapteyn calcula que la vitesse de libération de la Voie Lactée était de 20 km/s. Or en 1927, en étudiant les amas globulaires de la Voie Lactée sur lesquels nous reviendrons, l'astronome suédois Bertil Lindblad avait calculé une vitesse de 350 km/s.

En fait, Kapteyn ignorait l'effet généré par l'extinction interstellaire évoqué précédemment, ce qui sous-estima tous ses calculs de vitesse. Après le décès de son mentor, Jan Oort (celui du fameux "nuage de Oort") repris son travail pour terminer sa thèse doctorale et introduisit en 1927 la "constante de Oort" (il y en aura deux) qui permit de calculer précisément la vitesse radiale des étoiles dans le voisinage du Soleil (cf. la matière sombre).

Grâce à cette invention, Oort découvrit la vitesse de rotation différentielle de la Voie Lactée en 1927.

A voir : Milky Way Rotational Velocity Explorer, UNL

A télécharger : Simulation d'une galaxie avec des ondes de densité (.FLV de 10 MB)

EtiC - Colliding galaxies - Pixel Gravity

Logiciels de simulation de la rotation galactique

A gauche et au centre, variation de la vitesse de rotation des étoiles dans la Voie Lactée en fonction de la distance au centre du bulbe. Le cercle rouge représente l'orbite du Soleil et l'intersection de la courbe correspond à l'emplacement du Soleil. Cette courbe ne s'explique qu'en tenant compte d'une composante invisible, sombre. A droite, évolution d'une étoile dans les ondes de densité au cours de sa révolution galactique. Documents UNL et Belt Of Orion.

Les ondes de densité

En vertu de la rotation différentielle, les astronomes ont calculé qu'une galaxie ne pouvait conserver sa structure spiralée plus de 100 millions d'années. Or il existe des milliards de galaxies de ce type dont l'âge dépasse largement les 12 milliards d'années.

Comme nous l'avons évoqué, les astronomes ont d'abord cru que la structure spiralée de la Voie Lactée se maintenait grâce aux champs magnétiques qui agissaient en quelque sorte comme des canaliseurs de matière en orientant le gaz par rapport aux lignes de forces du champ magnétique. Mais dans ce cas, logiquement le gaz doit s'écouler le long de ces lignes de forces et vers l'extérieur de la Galaxie. De plus, le circuit doit être alimenté en permanence pour expliquer la persistence de la structure spiralée pendant plus de dix milliards d'années. Or, en pratique on n'observe pas ce phénomène car le champ magnétique est bien trop faible. Les astronomes ont donc été obligé d'inventer un autre mécanisme.

Aujourd'hui, on explique la structure spiralée de la Voie Lactée par la théorie des perturbations à N-corps et en particulier par la théorie des ondes de densité développée dans les années 1960 par Lin et Shu : les bras d'une galaxie spirale n'ont pas de structure matérielle par nature, ce n'est pas une structure fixe, mais représentent des régions de haute densité qui se forment spontanément au cours de la rotation galactique. Ces bras se forment à l'image d'un embouteillage sur la route forçant les véhicules à ralentir et à s'agglomérer en un endroit précis le temps que le trafic redevienne fluide.

C'est ensuite l'attraction gravitationnelle entre les étoiles situées à différentes distances du centre qui évite la dislocation des bras, ce qu'on appelle le "winding" et maintient le motif spiralé en place.

La théorie des ondes de densité explique également l'apparition des régions HI et des bandes de poussière dans la partie interne des bras spiralés et l'existence d'étoiles jeunes et massives ainsi que des régions HII dans les bras, de même que l'abondance des étoiles âgées et rouges dans le reste du disque.

Notons que la même théorie s'applique aux motifs des anneaux de Saturne et de manière très marquée dans les ondes de densité visibles dans l'Anneau A.

Ainsi, toute la matière visible (poussière, étoiles et nébuleuses) évolue dans la Voie Lactée à l'image des éléments d'un fluide, se maintenant pratiquement toujours à la même distance du centre par gravitation. Au cours d'une rotation galactique, à l'image d'un bouchon sur des vagues ou d'une montagne russe, ces éléments passent alternativement dans les bras spiralés et entre ceux-ci. C'est en s'approchant des bras spiralés que la matière interstellaire à le plus de chance de se condenser en formant des nébuleuses et des complexes HII qui formeront éventuellement de nouvelles étoiles. On y reviendra à propos des interactions et de la formation des galaxies et de la cinématique des galaxies.

La barre Galactique

En analysant le pseudo-bulbe, dans les années 1970 les astrophysiciens ont découvert que le gaz (HI et CO) présentait des vitesses radiales positives et négatives assez élevées alors qu'on s'attendait à ce que la matière présente une vitesse nulle. Des observations détaillées ont montré que gaz suit des orbites très elliptiques et présente une forme allongée dans le plan Galactique. On en déduit qu'il s'agit d'une barre, le gaz situé devant le noyau Galactique s'approchant de nous tandis que le gaz situé derrière le noyau s'éloigne de nous, ce qui explique leurs vitesses radiales de sens opposé.

Des simulations numériques furent également réalisées dès 1981 par Françoise Combes du CNRS qui étudia la dynamique des galaxies SBb et le processus de formation de la barre et des bras spiralés.

En 2013, une équipe internationale d'astronomes utilisant le télescope VISTA de 4.1 m de l'ESO cartographia la Galaxie, calculant notamment la distance de 22 millions d'étoiles géantes du bulbe et de tous les autres types d'étoiles s'y trouvant et combina ces données avec les sondages UKIDSS, VVV, 2MASS et GLIMPSE. Leurs résultats firent l'objet de cette publication notamment ainsi que de nombreux articles de presse et de vidéos didactiques. Par la suite, cet inventaire fut complété avec les données du satellite astrométrique GAIA.

Grâce à ces travaux, nous savons que la barre est légèrement de travers par rapport au grand axe de la Galaxie mais également par rapport à notre point de vue. La barre mesure 4 kpc de rayon (13000 a.l.) et est inclinée de 20° sur la ligne de visée; par rapport au centre Galactique (longitude 0°), la partie proche de nous est située dans les longitudes positives, la partie la plus éloignée du côté des longitudes négatives.

A gauche, la carte de contour de la surface de brillance du coeur de la Voie Lactée obtenue par T.Matsumoto et son équipe en 1982 (cf. "The Galactic Center", G. Riegler & R. Blandford, AIP Conf. Proc. 83, 1982) à 2.4 microns dans un champ de 20° de latitude et 24° de longitude. On distingue clairement la zone de transition entre le disque et le bulbe et la forme anguleuse de ce dernier. Au centre, le modèle triaxial de la barre de la Voie Lactée développé par Leo Blitz et David N.Spergel en 1991. Le petit cercle fléché indique le Standard Local des Vitesses (LSR, point confondu avec le Soleil qui aurait une rotation pure autour de la Galaxie). A droite, la carte de contour de la surface de densité du bulbe basée sur le sondage VVV et réalisée en 2013 par Chris Wegg et Ortwin Gerhard de l'Institut Max Planck. Vu du pôle Galactique, on distingue clairement la forme elliptique de la barre centrale. Vu de profil on distingue clairement son aplatissement (rapport axial de 0.75).

Les sondages infrarouge 2MASS et VVV ont confirmé l'existence de cette barre ainsi qu'une asymétrie entre le nombre d'étoiles aux longitudes positives et négatives, suggérant l'existence d'une deuxième barre imbriquée dans la barre principale (primaire). Cette barre secondaire (nucléaire) mesure 150 pc de rayon (490 a.l.) et est presque perpendiculaire à la barre principale comme le montre le modèle présenté ci-dessus au centre.

Les simulations ont montré que la barre secondaire est fréquente dans les galaxies spirales barrées. Voyons en bref comment cette structure se développe et quels sont ses effets.

Au cours de leur évolution, dans les galaxies à symétrie axiale et dont la dispersion du gaz et des étoiles est suffisamment faible pour rendre le disque instable, il se forme d'abord une barre principale dont la taille peut atteindre la moitié du rayon visible de la galaxie hôte. Cette barre tourne à une certaine vitesse qui déclenche un phénomène de résonance dit de corotation, au milieu du disque stellaire. A l'endroit de cette résonance, la vitesse de rotation de l'onde spirale (barrée) est égale à celle de la matière.

A l'intérieur du cercle de corotation, la matière tourne plus vite que l'onde et les étoiles tournent donc plus rapidement que la barre, et inversement à l'extérieur du cercle de corotation (où se trouve le Soleil). Au fil du temps, la matière se concentre au centre de la barre. Des forces gravitationnelles se développent tangentiellement, générant des couples de torsion qui entraînent un transfert de matière entre les étoiles et le gaz. Ce processus accélère la rotation de la partie centrale et amplifie le mouvement à l'image d'une ballerine qui referme ses bras.

Finalement la barre principale ne parvient plus à maintenir sa stabilité vis-à-vis des forces de gravité et une barre secondaire se découple, tournant de plus en plus vite au centre de la galaxie.

Carte transversale de l'anneau CMZ (Central Molecular Zone) observé dans la bande du CO J grâce au télescope AST/RO de 1.7 m installé au pôle Sud (les 3 cartes du haut) et par le télescope de 7 m des Bell Labs (les 3 cartes du bas). La résolution est de 2'. Documents Christopher L.Martin et al.

Comme l'ont montré Christopher L.Martin et son équipe en 2004, à 200 pc soit 652 a.l. de rayon du centre se trouve un anneau moléculaire très dense baptisé la "Central Molecular Zone" ou CMZ dans laquelle s'inscrit la barre nucléaire. Cet anneau est perturbé par la barre; il n'est pas symétrique et les trois-quart de ses émissions proviennent de la partie située devant le noyau (longitudes positives).

Il existe également un second anneau moléculaire riche en gaz mais moins intense entre 4 et 8 kpc du noyau (13000-26000 a.l.) qui correspond à la zone de résonance de la barre principale dont la corotation se situe à 4-5 kpc du centre. Cela correspond à une vitesse angulaire de la barre principale de 40 km/s/kpc et une période de révolution de 160 millions d'années, dont légèrement plus rapide que celle du Soleil.

Précisons que les ondes de densité de Lindblad qui sont à l'origine de la structure des bras spiralés ne peuvent se développer qu'entre les deux zones de résonance de Lindblad, c'est-à-dire entre les deux anneaux moléculaires, interne et externe, tandis que les barres ne se développent pas au-delà des résonances de corotation.

Comme la barre principale, la barre secondaire participe activement au transfert de gaz (beaucoup plus sensible aux effets gravitationnels que les étoiles) vers le centre Galactique, en particulier entre la zone de l'orbite de résonance de Lindblad où se situe la CMZ et le noyau de la Voie Lactée où se situe le trou noir supermassif. Mais pour cela, cette barre nucléaire doit être suffisamment forte pour briser la symétrie axiale de la barre principale.

Actuellement, selon les sondages, la vitesse et le taux de transfert de matière vers le centre de la Galaxie est très faible et la température de la CMZ basée sur son profil spectral  (raies du CI, CO J, CS, HCN , etc) est de l'ordre de 50 à 70 K, ce qui laisse supposer que la Voie Lactée est seulement au début de cette phase. Lorsque la barre nucléaire sera suffisamment développée, elle sera capable de transférer la matière de l'anneau moléculaire CMZ vers le trou noir, ce qui déclenchera sa réactivation et l'émission de jets.

Evolution des barres, des bras spiralés et mécanisme de migration

Grâce aux simulations et à l'étude des galaxies spirales similaires à la Voie Lactée, comme nous l'avons expliqué à propos de la formation des galaxies, une galaxie spirale peut se transformer en spirale barrée et ensuite perdre sa ou ses barres et reprendre un cycle de reformation et destruction de ses barres. En effet, les lois de la mécanique des fluides montrent que lorsque le disque contient plus de 6 % de gaz, en vertu des échanges cinétiques dus aux couples de torsion, la barre peut s'affaiblir. Sous le rayon de corotation, la barre tournant moins vite que la matière et présentant un moment cinétique négatif, si ce dernier se réduit, la force de la barre diminue et elle finit par disparaître.

Selon les simulations, la barre peut disparaître en un seul temps dynamique (une seule révolution de la galaxie), soit entre 200 millions d'années si la galaxie est riche en gaz et 1 milliard d'année si elle est pauvre en gaz. La galaxie spirale barrée devient alors temporairement une spirale classique.

A gauche, simulation de l'évolution d'une galaxie spirale barrée dont la masse gazeuse est peu concentrée. Une structure similaire s'observe dans la galaxie NGC 1097 dont une photo est présentée plus bas. A droite, simulation de la migration des étoiles dans le disque de la Voie Lactée. 1ere ligne, la composante stellaire dans une galaxie spirale sans accrétion de gaz sur une période de 3 milliards d'années. 2e ligne, la variation du moment cinétique divisé par la vitesse de rotation en fonction du rayon. Le rayon de corotation est indiqué par la ligne pointillée verticale, celui de la résonance externe par la ligne verticale continue. 3e ligne, distribution radiale de la densité de surface des étoiles et du gaz (gauche) et de l'abondance des éléments lourds des étoiles et du gaz (droite) aux mêmes époques (ligne verte = 0.2 milliard d'années, ligne violette = 3 milliards d'années). 4e ligne, la distribution du rayon de naissance des étoiles à T=2.5 milliards d'années à l'intérieur de l'anneau indiqué en vert de 600 pc de large. Documents D.Namekata et al. et I.Minchev et al.

La vitesse de dispersion des étoiles augmentant au passage de l'onde de la spirale barrée, le disque stellaire est chauffé par la friction dynamique. Il faut attendre que toute la matière diffuse accrétée (filaments du halo et gaz du disque) se refroidisse et redevienne gravitationnellement instable pour que de nouvelles ondes spirales barrées puissent se former.

En parallèle, comme on le voit dans la simulation présentée ci-dessus à droite, à partir du rayon de corotation (2e simulation du haut, ligne pointillée verticale) l'onde générée par la barre pousse radialement les étoiles et le gaz contenus dans les disques mince et épais qui migrent lentement vers l'extérieur de la Galaxie. Ce processus de migration n'épuise par la Galaxie car de toute évidence la Voie Lactée attire constamment des galaxies naines qui viennent remplir le réservoir de gaz constituant la matière première des étoiles.

Au cours du processus qui s'étend sur une période de quelques milliards d'années, la barre et la structure spirale disparaissent progressivement.

Les simulations indiquent que Soleil ne se serait donc pas formé dans l'Eperon d'Orion où il se trouve aujourd'hui mais bien plus près du bulbe. Cet effet peut être amplifié s'il existe plusieurs ondes de densité simultanément et donc de multiples bras avec des chevauchement possibles des ondes de résonances.

Ce phénomène peut expliquer l'existence du gradient d'abondance des éléments lourds dans les étoiles et les amas stellaires (beaucoup d'étoiles riches en métaux se trouvent en périphérie du disque) ainsi que le gradient d'âge des étoiles en fonction de leur distance au centre Galactique.

Enfin, on peut observer un déphasage entre la fréquence de rotation de la masse stellaire et la fréquence épicycle (fréquence d'oscillation radiale d'un astre autour de sa position d'équilibre, elle correspond au taux auquel le périapse d'un astre en suit un autre). Lorsque le taux de précession augmente et si l'autogravitation ne peut plus concentrer la masse stellaire dans une seule onde, la spirale se découple et commence à tourner de plus en plus lentement à mesure qu'elle s'éloigne du centre. Ce phénomène entraîne une séparation et un décalage des bras spiralés de la barre principale. Cet effet peut être amplifié s'il existe plusieurs ondes de densité simultanément et donc de multiples bras avec des chevauchements possibles des ondes de résonances.

La Voie lactée présente des structures à grande échelle qu'on ne peut pas vraiment photographier mais qu'on retrouve dans trois galaxies : à gauche, NGC 1097 (double barre et anneau nucléaire - en blanc - dont voici un agrandissement), au centre M109 (NGC 3992) et à droite NGC 1073 (déphasage des bras). Documents ESO/R.Gendler/ NAOJ/ NASA/ESA/STScI, Adam Block et NASA/ESA/STScI.

Comme on le voit ci-dessus, on observe ce phénomène curieux dans les galaxies M109 (NGC 3992) et NGC 1073 où le décrochage est très marqué. On pense que la Voie Lactée présente le même type de structure.

En résumé, la Voie Lactée est une spirale barrée a peu près symétrique présentant un pseudo-bulbe et comprenant à la fois deux bras principaux et deux bras secondaires, un disque gauchi, des queues de marées, un anneau nucléaire et un anneau secondaire plus pâle, une barre multiaxiale et un possible décrochage de ses deux principaux bras.

Après avoir décrit la structure générale de la Voie Lactée, il nous reste quelques grandes structures à décrire qui cachent bien des secrets sur l'évolution de la Galaxie. Il s'agit du Nuage Local, de la Ceinture de Gould, de la Grande Bande Sombre ainsi que du noyau. Ce sera l'objet du prochain chapitre.

Prochain chapitre

Le Nuage Local

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