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La Voie Lactée

Le Nuage Local (IV)

Le Soleil entraîne le système solaire dans les bras de la Voie Lactée et traverse actuellement un nuage interstellaire local d'environ 40x30 années-lumière à la vitesse de 16.5 km/s soit 59400 km/h. Ce déplacement dans l'espace crée un vent interstellaire de particules.

En 2013, Priscilla Frisch de l'Université de Chicago et ses collègues déclarèrent dans la revue "Science" que la direction de ce vent interstellaire avait légèrement dévié de 4 à 9° depuis le dernier sondage effectué entre 1972-1978 pour une raison inconnue. On suppose que le Soleil approche des limites du Nuage Local et d'une zone de turbulence. Ce Nuage Local est né de l'onde de choc formée par la collision de deux bulles de gaz : la Bulle locale et la Bulle de la Ceinture de Gould (Boucle I, voir plus bas).

Comme le montre l'illustration ci-dessous à gauche, vu ses dimensions, le Nuage Local comprend des étoiles proches comme Alpha Centauri (4.3 a.l.), Sirius (8.6 a.l.), Véga (25 a.l.), Fomalhaut (25.1 a.l.) et Arcturus (36.6 a.l.). Il est en interaction avec le nuage voisin appelé le Nuage G qui se déplace perpendiculairement à la trajectoire du Soleil.

A voir : Galaxy Map - Carte de la Voie Lactée du National Geographic (12.5 MB)

Cartes détaillées de la Voie Lactée

A gauche, illustration du nuage interstellaire Local que traverse le système solaire. Au centre, la région Locale dans un rayon de 5 kpc (16300 a.l.) autour du Soleil. Voici la carte sans annotation. Noter que les nébuleuses (régions HII et nuages moléculaires) sont plus nombreuses devant le Soleil dans sa course autour de la Voie Lactée que derrière lui. A droite, l'aspect général de la Voie Lactée. Documents NASA/Goddard/Adler/U.Chicago/Wesleyan, Bruce MacEvoy et T.Lombry inspiré de Pour la Science.

Le Soleil serait entré dans le Nuage Local il y a entre 44000 et 150000 ans et devrait en sortir dans 10000 ou 20000 ans. Il se dirige actuellement vers l'extérieur de l'Association Scorpion-Centaure (qui est une nurserie d'étoiles).

Ce milieu interstellaire présente une très faible densité de 0.26 atome/cm3 soit plus de 5 fois inférieure à la densité moyenne du milieu galactique (et 20x1020 plus faible l'atmosphère terrestre au niveau de la mer) pour une température de brillance de 6000 K, relativement chaude.

La Vague de Radcliffe (ex Ceinture de Gould), les boucles et l'Éperon galactique

En 1847, alors qu'il observait le ciel depuis le Cap de Bonne-Espérance en Afrique du Sud, l'astronome britannique John Herschel, le fils du célèbre William Herschel, découvrit "une large bande d'étoiles qui était balisée par la constellation d'Orion, les étoiles brillantes du Grand Chien et pratiquement toutes les étoiles visibles d'Argo [comprenant aujourd'hui la Poupe, les Voiles et le Carène] -- la Croix -- le Centaure, le Loup et le Scorpion" et nota qu'elle était inclinée d'environ 20° par rapport au plan de la Galaxie.

En 1879, alors qu'il rédigeait son catalogue "Uranometria Argentina" (le catalogue de Flamsteed pour l'hémisphère sud) l'astronome américain Benjamin A. Gould découvrit que cette ceinture s'étendait dans l'hémisphère nord, formant apparemment une boucle coupant le plan galactique.

En 1910, Jacob Halm calcula le mouvement propre des principales étoiles de cette boucle tandis qu'en 1922 Edwin Hubble y ajouta des régions HII et des nuages moléculaires.

A voir : The Radcliffe Wave, WWT

A gauche, répartition et composition des grandes boucles de matière interstellaire et d'association d'étoiles découvertes dans la Voie Lactée depuis les premières observations de John Herschel en 1879. La Ceinture de Gould est la Boucle I située au centre du schéma, à cheval sur le plan galactique. Ces régions contiennent d'innombrables étoiles très brillantes et massives, des associations OB, des amas stellaires, des régions HII et des nuages moléculaires. A droite, la position de la Ceinture de Gould par rapport au Soleil. On sait aujourd'hui que cette Ceinture n'existe pas réellement et qu'il s'agit en réalité d'une structure gazeuse sinusoïdale rectiligne appelée la Vague de Radcliffe. Documents Bruce MacEvoy adapté par l'auteur et Isabelle Grenier/CEA Saclay adapté par l'auteur.

Depuis, six boucles ont été découvertes le long de l'écliptique dont les schémas sont présentés ci-dessous. La grande boucle découverte par Herschel et Gould fut appelée la "Ceinture de Gould" et représente la Boucle I (Loop I). Les premiers cirrus galactiques se situent à quelques centaines d'années-lumière au-dessus du plan de la Galaxie. Rappelons comme nous l'avons entrevu lors de la description des nébuleuses et du milieu interstellaire que le segment nord de la Boucle I est appelé "l'Eperon galactique" ou "Eperon Polaire" (Polar Spur) et correspond à une émission synchrotron galactique. Cette extension apparaît le plus clairement à 408 MHz ainsi que sur les cartes de la polarisation du rayonnement cosmologique vue précédemment.

La Ceinture de Gould est plus brillante dans l'hémisphère sud que dans l'hémisphère nord et rassemble des étoiles brillantes, des associations OB, des amas stellaires épars, des régions de formations stellaires ainsi que des nuages moléculaires froids dont la masse globale est estimée à dix millions de masses solaires. Jussqu'en 2020, on pensait qu'elle formait un anneau elliptique pratiquement fermé d'environ 3000 années-lumière de diamètre et légèrement décentré par rapport au Soleil.

Grâce aux nouvelles données enregistrées poar le satellite astrométrique Gaia de l'ESA, on sait aujourd'hui que cette stucture n'a pas la forme d'un anneau en expansion mais qu'il s'agit en réalité d'une longue structure gazeuse monolithique en forme d'onde (cf. Les découvertes de Gaia) qu'on a surnommé la Vague de Radcliffe. On y reviendra car cette découverte met fin à une vision fausse vieille de près de 150 ans.

Carte de la "superbulle du Cygne" observée dans le rayonnement X à 1.5 keV près des Boucles II et III. Les nébuleuses des "Dentelles du Cygne" sont indiquées par la zone sphérique "Cygnus Loop". Document B.Uynikler et al.

On estime que cette structure est âgée entre 30 et 60 millions d'années mais on ignore son origine. Elle ne semble pas avoir été formée par un processus de chocs comme ce serait le cas avec des supernovae comme on le pensait encore dans les années 1980 (cf. D.Iwan, 1980 et C.Salter, 1983). En effet, selon des études réalisées par Ken Croswell en 2005 et Stuart Clark en 2009, on ne retrouve pas de structures similaires autour des supernovae où on observe une compression du gaz interstellaire et des nuages moléculaires dans toutes les directions autour du point d'explosion.

Jusqu'en 2020, on pensait que la Ceinture de Gould n'avait pas une origine exceptionnelle et que son inclinaison de 16 à 20° et sa séparation apparente du plan galactique étaient peut-être la conséquence d'une propriété de la Voie Lactée qui force la matière à s'étendre de la sorte. En fait, l'inclinaison est liée à la structure sinusoïdale de la Vague de Radcliffe.

Quant à l'Eperon galactique d'origine non thermique et fortement polarisé, en 2003 Alla Miroshnichenko proposa qu'il s'agissait de l'émission d'un jet par la Voie Lactée similaire à celui qu'on retrouve dans les quasars mais on manque de preuve pour appuyer cette théorie.

Seul fait pertinent, la "superbulle du Cygne" présentée à droite et située près des Boucles II et III à environ 2 kpc (6500 années-lumière) en direction de la latitude galactique l = 82° mesure environ 600 x 450 pc (~2000 x 1500 a.l.) présente une forme approximative en fer à cheval. Comprenant quantité d'associations stellaires OB, de nuages de gaz et moléculaires, cette structure est inclinée d'environ 30° sur le plan galactique.

Autre observation, les nuages moléculaires et les régions de formations stellaires du Bras Local sont situées "devant nous" dans la rotation galactique (vers la gauche en regardant le bulbe), tandis que les régions plus anciennes où les étoiles sont déjà formées ainsi que les résidus de supernovae se situent "derrière nous", entre les associations Scorpion-Centaure et d'Orion.

De nombreuses théories ont été proposées pour expliquer l'origine de cette Ceinture et des autres boucles. Une théorie intéressante fait appel à l'explosion des novae et au phénomène de "cheminée".

Si la Ceinture de Gould résulte de l'explosions de novae, on sait que leurs ondes de chocs se propagent préférentiellement perpendiculairement au disque galactique, vers les régions les moins denses du disque mince. Or la région du Soleil se situe justement dans une "Cheminée Locale" orientée approximativement perpendiculairement au plan galactique et traversant entièrement le disque (cf. B.Y. Welsh et al., 1999). Les extrémités ouvertes de cette cheminée montrent que les nuages de gaz ont été soufflés par l'explosion des supernovae et retombent à présent dans le disque mince.

A gauche, image inversée de la distribution de la poussière autour des Pôles Galactiques Nord (PNG) et Sud (PSG). Les zones sombres sont les plus claires pour l'observation et correspondent au "Trou de Lockman" dont une image en rayonnement X prise par le satellite XMM-Newton de l'ESA est présentée à droite. Les couleurs correspondent aux données rayons X collectées à des énergies de 0.5-2 keV (rouge), 2-4.5 keV (vert) et 4.5-10 keV (bleu). L'image couvre 30 minutes d'arc soit environ le diamètre apparent de la Lune. Document G.Hasinger et al. (2001).

Le plus surprenant est que cette Cheminée Locale a créé deux "fenêtres" dans les régions des pôles galactiques comme on le voit ci-dessus à gauche (lez zones sombres). Dans ces zones, l'extinction par la poussière est minimale, y compris dans le rayonnement X de l'hydrogène neutre. Le ciel est tellement clair que les astronomes utilisent ces "fenêtres" pour étudier les objets les plus éloignés de l'univers comme les amas de galaxies (cf. le programme HUDF de Hubble), réaliser des mesures de parallaxe spectroscopique (très sensible à l'extinction interstellaire) ou encore pour mesurer le rayonnement cosmologique et mieux comprendre l'évolution de l'Univers.

La fenêtre située près du Pôle Nord Galactique se situe dans la Grande Ourse et a été baptisée le "Trou de Lockman" en hommage à l'astronome Félix Lockman (cf. G. Hasinger et al., 2001). Elle contient également la "Bande Étendue de Groth" (Extended Groth Strip) qui couvre 70'x10' d'arc présentée ci-dessous. Particulièrement vide de poussière, elle constitue l'une des fenêtres idéales pour étudier le ciel profond.

L'Extended Groth Strip (la Bande Étendu de Groth) photographiée grâce au Télescope Spatial Hubble en 2007. La photo couvre un champ de 70'x10' d'arc près du Pôle Nord Galactique. Cette mosaïque de 63 photos comprend au moins 50000 galaxies dont certaines sont à 8 milliards d'années-lumière. Document NASA/ESA/M.Davis et al.

Rappelons qu'en 1997 (et confirmé en 2020) les astronomes ont découvert dans cette région du ciel située entre la Grande Ourse et la Petite Ourse, un nouvel SNR nommé "l'Arc de la Grande Ourse" qui forme une bulle ionisée large de 30° (le "cercle UMa") qui résulte vraisemblablement de l'onde de choc d'une supernova remontant à environ 100000 ans.

La Grande Bande Sombre (GDL)

Au cours du sondage VVV de la Voie Lactée en proche infrarouge (900-2500 nm) effectuée entre 2010 et 2014 au moyen du télescope VISTA de 4.10 m de l'ESO, une équipe internationale d'astronomes dirigée par Dante Minniti du département de Physique de l'Université Andrés Bello du Chili découvrit une vaste bande de poussière sombre s'étirant entre le Soleil et le bulbe central qu'ils ont appelée la "Great Dark Lane".

La Grande Bande Sombre fut découverte après l'analyse du diagramme couleur-magnitude (CMD) de 157 millions d'étoiles présentes dans le bulbe de la Voie Lactée qui mit en évidence une différence de couleur (Z-Ks) de 0.55 magnitude dont la seule explication est liée à la présence d'une bande de poussière optiquement épaisse comprise entre les latitudes galactiques de +10° et -10°.

Photographies de la région centrale de la Voie Lactée entre le Sagittaire et le Scorpion en lumière blanche (gauche) et proche infarouge (droite) révélant les nuages de poussières bloquant la vue du noyau. Documents ESO/S.Brunier et ESO/VVV survey traité par l'auteur.

Cette bande de poussière se situe globalement à environ 15000 années-lumière du Soleil et réside à l'extérieur du bulbe. Si cette bande de poussière traversait le bulbe, la distribution des étoiles aurait été plus fragmentée avec des amas d'étoiles rouges devant et derrière les nuages de poussières, alors que la bande de poussière observée présente des limites bien marquées, les amas d'étoiles rouges étant localisés dans le bulbe, derrière la bande de poussière.

Cette découverte permet d'affiner la nature et la structure de la Voie Lactée, elle apporte un indice sur les contraintes des modèles du bulbe barré de la Voie Lactée et permet de comparer notre Galaxie avec les autres spirales barrées dans lesquelles ce phénomène est très important pour citer M83, NGC 1300, NGC 4921 ou encore NGC 1672 parmi beaucoup d'autres galaxies de ce type.

Prochain chapitre

Le centre de la Voie Lactée

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