GALAXIES

L'observation à l'œil nu d'un ciel constellé d'étoiles montre que celles-ci ne sont pas réparties au hasard : elles tendent à se regrouper en une longue écharpe laiteuse qui parcourt la voûte céleste d'un bord à l'autre de l'horizon, et que nos ancêtres ont appelée la Voie lactée. Les philosophes grecs déjà déclaraient « qu'elle est formée d'astres tout petits et groupés si étroitement qu'ils nous apparaissent ne faire qu'un, en raison de l'intervalle qui sépare la Terre du ciel, comme si on avait répandu une poudre de grains de sel fins et nombreux ». On sait que depuis la fin du xix^e siècle que cette trace blanchâtre de faible luminosité, formée de milliards d'étoiles que notre œil ne peut séparer les unes des autres, constitue un système que l'on nomme la Galaxie. Le Soleil, étoile centrale de notre système planétaire, n'est autre que l'une des cent milliards d'étoiles qui composent ce système (cf. la galaxie).

Grâce aux récits des grands voyageurs, on connaissait l'existence dans le ciel austral de deux nébulosités, comme des fragments échappés de la Voie lactée, les Nuages de Magellan (il s'agit de deux petites galaxies compagnes de notre Galaxie). De même, la nébuleuse d'Andromède (M31) était déjà connue des savants arabes dès le x^e siècle. L'utilisation de lunettes et de petits télescopes avait permis de détecter dans le ciel la présence d'objets dits nébuleux, par opposition aux étoiles, qui apparaissent comme des points brillants. Le catalogue établi par Charles Messier et d'après lequel sont nommées, entre autres, les galaxies les plus proches telles M31, M51, M81... date, dans sa forme finale, de 1784 ; les catalogues établis par William Herschel datent eux aussi des années 1780. Dès le milieu du xix^e siècle, William Parsons découvre une structure spirale dans les galaxies proches M31, M33 et M101. Certaines nébuleuses sont déjà résolues en étoiles, et l'analyse spectrale de la lumière émise par la nébuleuse d'Andromède laisse à penser que cet objet pourrait être un gigantesque amas d'étoiles, conformément à l'hypothèse des « univers-îles », popularisée au milieu du xix^e siècle par Alexander von Humboldt. Mais c'est la mise en service, dans les années 1920, de grands télescopes, en particulier sur le mont Wilson, aux États-Unis, qui a permis d'accéder à l'univers des galaxies.

Aujourd'hui, la recherche dans le domaine extragalactique avance à pas de géant. On a accru le nombre et la taille des grands télescopes au sol. On a placé des télescopes en orbite autour de la Terre. On a élaboré et construit des instruments et des récepteurs de plus en plus performants, tant en sensibilité que par l'étendue du domaine de longueur d'onde qu'ils permettent d'explorer. Ces progrès technologiques ont permis une floraison de découvertes inattendues et suscité l'apparition de nouveaux concepts.

La présentation générale des galaxies est d'abord effectuée : elle introduit au problème de la classification morphologique des galaxies et à celui de la détermination de leurs distances.

Dans une seconde partie, on fera ressortir les avancées dans la compréhension du monde extragalactique qui ont été réalisées depuis le début des années 1970.

Classification et nature des galaxies

Les galaxies comprennent de un à cent milliards d'étoiles chacune, et les grands télescopes permettent d'en distinguer des millions sur la sphère céleste. Leurs dimensions varient de quelques dizaines de milliers à quelques centaines de milliers de parsecs. Leurs formes variées (ellipses, spirales, irrégulières) ont conduit à une première classification connue sous le nom de séquence de Hubble.

Ces différences de forme sont en outre corrélées à des différences de population stellaire et à une plus ou moins grande richesse en matière interstellaire. L'étude de la Galaxie et de la proche galaxie d'Andromède montre que leur forme n'est pas immuable. Les forces gravitationnelles qui assurent la cohésion des galaxies conduisent à des systèmes assez lâches, facilement déformables. Les interactions de marée et les phénomènes de coalescence entre galaxies ont probablement joué un rôle important dans l'établissement des formes actuellement reconnues pour ces objets. Il est plausible aussi que la structure des galaxies est liée aux circonstances de leur formation, que n'explique toutefois à l'heure actuelle aucune théorie satisfaisante. Les galaxies naissent-elles par condensation d'une hypothétique matière intergalactique, naissent-elles avec leurs étoiles ou celles-ci sont-elles formées ultérieurement ? Ou bien ont-elles toutes été formées telles qu'on les observe, dans les premiers instants d'un Univers encore très condensé ? On en est toujours réduit à construire des scénarios divers.

Il est possible de mesurer simplement la vitesse radiale des galaxies. On constate alors qu'elles s'éloignent de nous avec une vitesse qui est proportionnelle à leur distance (loi de Hubble). Cette propriété, qui traduit le fait que l'Univers est en expansion, sert de support à toutes les théories cosmologiques actuelles. On a découvert, au centre de certaines galaxies, la présence d'une source intrinsèquement très lumineuse, appelée noyau actif de galaxie. La manifestation la plus extrême, rencontrée dans les quasars, a permis de sonder l'Univers lointain jusqu'à une époque située il y a 12 milliards d'années environ. Les problèmes de l'origine et de l'évolution de l'Univers constituent un chapitre distinct de l'astronomie galactique et extragalactique.

Classification des galaxies

La séquence de Hubble

La première classification des galaxies, qui est encore la plus usitée, repose sur des considérations purement morphologiques. Elle est due à Edwin P. Hubble et distingue trois grands types de galaxies : les galaxies elliptiques, les galaxies spirales et les galaxies irrégulières.

Galaxie M104

M104, également appelée le Sombrero, est une galaxie présentant un bulbe sphéroïdal au centre et un disque mince, barré par une bande sombre qui témoigne de la présence de poussière. Celle-ci apparaît en rouge sur cette image infrarouge acquise par le télescope spatial Spitzer. 

Crédits : NASA/ JPL & The Hubble Heritage Team/ STScI/ AURA)

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Séquence de Hubble

La séquence de Hubble. E : galaxies elliptiques ; SO : galaxies lenticulaires ; S : spirales normales ; SB : spirales barrées. 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Les galaxies elliptiques ont la forme d'ellipsoïdes plus ou moins aplatis, avec une répartition d'étoiles augmentant vers le centre, mais ne révèlent aucune structure fine. Suivant leur ellipticité, on les qualifie de E₀ (les plus sphériques), E₁, E₂, ..., ou E₇ (les plus aplaties).

Les galaxies spirales ont une forme aplatie, la plupart des étoiles brillantes étant concentrées dans un disque peu épais, et suivant des bras qui dessinent des spirales à partir de la région centrale. Au centre des galaxies spirales se trouve une grande concentration d'étoiles, le bulbe. Les galaxies spirales se divisent elles-mêmes en deux branches : les spirales normales (S), dans lesquelles les bras partent directement du [...]

Galaxie spirale M81

La galaxie spirale M81 est ici observée dans l'infrarouge par le télescope spatial Spitzer. Son aspect dans le visible est présenté en haut à droite. L'image composite du centre a été élaborée à partir de deux images prises dans l'infrarouge à 3,6 et à 24 micromètres. Les trois... 

Crédits : NASA/ JPL/ K. Gordon, Univ. of Arizona & S. Willner, Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics

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Galaxie M104
Crédits : NASA/ JPL & The Hubble Heritage Team/ STScI/ AURA)

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Séquence de Hubble
Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Galaxie spirale M81
Crédits : NASA/ JPL/ K. Gordon, Univ. of Arizona & S. Willner, Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics

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Crédits : NASA

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