Quand l'univers se limite à la Voie Lactée

En 1990, l'expérience DIRBE embarquée à bord du satellite COBE a permis de produire la première image en fausse couleur du centre de la Galaxie^[8]. Elle représentait l'émission proche-infrarouge des étoiles et des poussières présentes tout autour du noyau. Le disque galactique, riche en poussières était clairement visible. Le noyau, par contraste, contenait peu de poussières.  

Le rayonnement X d'une galaxie Représentation des éruptions de rayonnement X émises par une galaxie. Fichier QuickTime de 2.2 MB préparé par Chandra.

Grâce aux recherches des astronomes nous savons aujourd'hui que le disque galactique n'est pas uniformément plat. Les radiotélescopes millimétriques ont permis de découvrir qu'au centre du noyau se trouvait un disque de 8000 années-lumière (2500 pc) de diamètre, incliné d'environ 18° sur le plan galactique, confirmant le motif légèrement incliné des bras, gauchissement surtout visible à 21 cm de longueur d'onde. Jusqu'à présent les astrophysiciens pensaient que le bulbe avait la forme d'une sphéroïde aplatie asymétriquement. Grâce aux mesures de COBE nous avons des indices selon lesquels le bulbe est allongé dans la direction de son plan; la Voie Lactée est bien une galaxie spirale barrée.  

Le centre de la Voie lactée La croix indique le centre de la Galaxie. Contrairement aux apparences c'est une région excessivement peuplée mais que des nuages de poussières nous empêchent de voir. Non loin de là l'étoile IRS8 a été éjectée à plusieurs centaines de km/s suite à une perturbation inconnue, peut-être une interaction avec le trou noir potentiel situé au centre de la Voie Lactée, créant devant elle une gigantesque onde de choc. Document Gemini North muni d'une optique adaptive. Ci-dessous le centre galactique observé à 2.2 microns par le CFHT également muni d'une optique adaptive. Sur la légende on reconnait Sgr A * près des lettres "SW" et la source IRS 16. L'image couvre un champ de 20" x 20". La résolution atteint 0.19" et aurait été trois fois plus faible (0.57") sans cette correction optique.

Le disque galactique tourne sur lui-même trois fois plus vite que la matière qui l'entoure (130 km/s). Outre des débris de supernovae, il contient des gaz chauds sous pression, de la poussière et des molécules. La région comprise dans les 300 pc autour du noyau représente une masse d'environ 10⁸ M_¤, soit environ 5% de la masse moléculaire totale de la Galaxie, concentrée dans 0.04% de sa surface ! 

La densité surfacique des gaz moléculaires du noyau est extraordinaire. On y trouve des nuages moléculaires CO et CS confinés qui requièrent de fortes densités pour être excités comme ils le sont. La vitesse des nuages déduite du décalage Doppler de leurs raies spectrales est de l'ordre de 15 km/s, plus de 15 fois supérieure à la vitesse du son ! On pense que ces déplacements sont induits par des champs magnétiques très intenses de l'ordre de 130 mG. Par comparaison, il n'est que de 5 mG dans le gaz diffus Local. On en a également déduit que la pression du gaz moléculaire est trois fois plus élevée dans le noyau que dans le disque. Ces phénomènes s'expliqueraient par la température, qui est voisine de 10⁸ K, supérieure à celle qui règne dans le noyau du Soleil et la densité du milieu (env.0.03 à 0.06 protons/cm³) qui correspond à une pression près de 1000 fois supérieure à celle mesurée dans le voisinage du Soleil ! Dans de telles conditions, le gaz émet des rayons X qui pourraient se transformer en "vent galactique" s'il n'est pas confiné dans le champ magnétique.

Le coeur incandescent de la Voie lactée Le centre de la Galaxie observé à 0.90m de longueur d'onde. L'image couvre un champ de 2.5° x 1° ou 375 pc x 150 pc (1200 x 480 années-lumière). Document National Research Lab Navy.

Malgré cette grande concentration de matière, peu d'étoiles s'y forme, probablement en raison de l'intense dispersion qui se produit au sein des nuages moléculaires. La masse de Jeans de ces nuages atteint 10⁶ M_¤, ce qui signifie qu'une liaison gravitationnelle ne peut se produire qu'au sein de nuages extrêmement massifs, tels Sgr A et Sgr B2. Des mesures permettent également d'estimer que les nuages de gaz présents dans le noyau de la Voie Lactée se seront diffusés avant leur effondrement. Cette diffusion peut s'étendre sur cent millions d’années^[9].

La région couvrant les 30 pc centraux (100 a.l.) fait preuve d'une activité très exotique. Dans un espace réduit à 0.3° d’arc se trouve cinq sources de rayonnement intense dont l'une est baptisé "Sagittarius A". Elle se divise en deux composantes, Sgr A East et Sgr A West. La première s'étend sur 3' (8 pc) et présente un spectre non thermique vraisemblablement entretenu par le rayonnement des supernovae. Sgr A West est plus petite (2 pc). Au centre de cette structure s'agglomère quelque 5 millions d'étoiles sur 3 années-lumière ! Sa cartographie en proche infrarouge (2.2 et 10 mm) a permis d'y déceler une vingtaine de sources d'émission dont certaines éjectent des filaments longs d'une trentaine de parsecs. Ce environnement est vraiment très suspect et suscita l’intérêt de nombreux chercheurs.

Sgr A*, instable et exotique A gauche une vue générale de la source Sgr A* et du résidu de supernova qui l'entoure formant une bulle. Document VLA réalisé à 21 cm de longueur d'onde. A droite une image haute résolution réalisée par interférométrie VLBI. Le point central blanc est la source Sgr A* (en rouge sur l'image de gauche). Cet objet de forme oblonge dans le sens N-S mesure 1 UA x 3.6 UA. Document NRAO.

A l'intérieur du parsec central les étoiles jouent un rôle gravitationnel primordial. Dans cette région les étoiles sont tellement proches les unes des autres que les collisions, y compris des effets de marées sont suffisamment fréquents pour éjecter dans le milieu interstellaire d'énormes quantités de gaz. Cette région contient 3 sources très intenses, IRS7, IRS11 et IRS16 qui couvrent une surface de moins de 20" d'arc. L'une d'elles, IRS16 considérée tout un temps comme le centre de la Voie Lactée, se trouve à environ 1" (0.04 pc) à l'Est de Sgr A* et couvre 3 années-lumière. Elle représente une masse d'environ 10 millions de soleils. Elle émet un rayonnement radioélectrique thermique, typique des régions HII. 

IRS16 a été résolue en une vingtaine de composantes compactes. Il s'agirait d'un jeune amas d'étoiles contenant soit des étoiles superbleues géantes soit des étoiles proche du stade Wolf-Rayet en train de perdre leur masse (jusqu'à 10^-4 M_¤/an) en libérant des gaz à la vitesse prodigieuse de quelque 1000 km/s (3.6 millions de km/h).

Sgr A West - Sgr A East A gauche la source Sgr A West observée à 6 cm de longueur d'onde par le VLA met en évidence le gaz ionisé par les étoiles jeunes et chaudes. Dans cette structure s'agglomère quelque 5 millions d'étoiles sur 3 années-lumière ! Noter la forme en spirale que prend le gaz. On suppose qu'il s'engouffre vers un objet massif et compact, peut-être le trou noir qui se cache au centre. Au centre le coeur de la structure observé en rayons X par le satellite Chandra présente de temps en temps des éruptions qui durent environ 3 heures (taches blanches) puis la luminosité retombe à son intensité antérieur. Ces phénomènes témoignent de l'existence d'un rayonnement d'origine non thermique probablement émis par un gaz chaud porté à très haute température suite à son interaction avec un corps massif et compact. Les astrophysiciens pensent qu'un trou noir situé au centre de cette structure serait responsable de ces manifestations. Etant donné le comportement de cette émission les astrophysiciens estiment que l'émetteur ne devait pas mesurer plus de la distance qui nous sépare du Soleil, soit 1 UA. A droite des filaments s'écartent du disque nucléaire perpendiculairement au plan galactique sur 20" (~1 pc ou 3.26 a.l) tandis qu'un halo lumineux de 8' (80 a.l.) entoure Sgr A East. Document VLA réalisés à 21 cm de longueur d'onde et Chandra/NASA/MIT/F.Baganoff et al.

Au centre de cette région le plasma est porté à 35000 K et le rayonnement devient non thermique, irradiant l’espace de rayons cosmiques sur lesquels se superpose un effet synchrotron provoqué par d’intenses champs magnétiques. Les filaments de plasma chauds découverts dans cette zone ont été corroborés par les observations radios du réseau interférométrique VLA. On a ainsi découvert une structure connue sous le nom d'"éperon galactique". Elle s'étend sur plus de 60 pc et est constituée de filaments magnétiques parallèles entourés de matière ionisée^[10]. Son origine n’est pas encore élucidée mais elle est probablement liée à la présence d'un objet très massif., peut-être un trou noir.

Prochain chapitre

Au coeur de Sgr A*