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Galaxie

 Qu'est-ce qu'une galaxie ?

Galaxie
La belle galaxie spirale NGC 4414 est plutôt isolée dans l'espace et n'a donc pas, comme la plupart des autres galaxies, eu de collisions avec d'autres galaxies. Photo : NASA, ESA, W. Freedman (U. Chicago) et al., / l'équipe Hubble Heritage (AURA/STScI), SDSS

En regardant le ciel nocturne sombre, vous voyez des étoiles dispersées dans toutes les directions. Il y en a peut-être un peu plus ici qu'il n'y en a là-bas, mais en général, les étoiles sont réparties plus ou moins uniformément dans le ciel nocturne.

Cependant, si vous vous trouvez dans un endroit particulièrement sombre, vous verrez une faible bande de lumière dans le ciel. Et si vous deviez pointer un télescope dans la direction de cette bande, vous verriez beaucoup plus d'étoiles.

Le scientifique italien Galileo Galilei a été le premier à le faire, confirmant ainsi la croyance vieille de plus de 2 000 ans selon laquelle le groupe, qui pendant des millénaires avait été appelé la « Voie lactée » du grec galaxías kýklos, était composé d'innombrables étoiles lointaines.

L'idée a commencé à se former que le système solaire était situé dans un amas d'étoiles aplati parce qu'en regardant le long de ce "disque", on voit une abondance d'étoiles, alors qu'on en voit moins en regardant loin du disque.

En plus des étoiles, un certain nombre de gouttes floues ont été vues, dont on a d'abord pensé qu'elles se trouvaient à l'intérieur de la Voie lactée. Les gens croyaient simplement que la Voie Lactée était tout ce qui existait - c'était l'Univers entier. Cependant, le philosophe allemand Immanuel Kant a proposé que la Voie lactée était simplement notre univers, tandis que les taches floues - ou nébuleuses - étaient des «univers insulaires» distants, très éloignés du nôtre.

À cette époque, de telles pensées n'étaient que des spéculations, mais avec l'introduction de la caméra et des grands télescopes, les astronomes ont réalisé, il y a à peine 100 ans, que notre galaxie - que les univers insulaires sont appelés aujourd'hui - n'est qu'une parmi un nombre apparemment infini. d'amas d'étoiles en orbite autour et maintenues ensemble par la force de gravité.

Alors que la distance entre les étoiles à l'intérieur d'une galaxie est généralement de quelques années-lumière, les distances entre les galaxies sont mesurées en millions d'années-lumière. Entre les galaxies, il n'y a pratiquement rien - environ 1 atome par mètre cube.

Les plus petites galaxies abritent quelques millions d'étoiles, tandis que les plus grandes en comptent des billions. La Voie lactée, qui peut être considérée comme une galaxie typique, contient quelques centaines de milliards d'étoiles.

Dans cet article, je vais vous expliquer ce qu'est une galaxie, de quoi elle est faite et quels sont ses différents types. Dans un prochain article de ScienceNordic, nous examinerons comment les galaxies ont été créées en premier lieu.

De quoi sont faites les galaxies ?

Cinq ou six choses peuvent être désignées comme la pierre angulaire des galaxies : les étoiles, le gaz, la poussière, les trous noirs supermassifs, la matière noire et, peut-être, les planètes.

Les étoiles, comme indiqué ci-dessus, sont nombreuses. Les étoiles vivent longtemps, mais pas éternellement. En épuisant leur carburant et en mourant, ils laissent derrière eux des naines blanches, des étoiles à neutrons ou des trous noirs.

Mais, si en général ce sont les étoiles qui permettent de voir les galaxies, elles ne représentent en réalité qu'une petite fraction de la masse totale de la galaxie.

Les étoiles sont faites de gaz, mais entre les étoiles – dans le soi-disant milieu interstellaire – une grande quantité de gaz réside également.

Dans les petites galaxies, il peut y avoir autant de gaz interstellaire que de gaz stellaire, tandis que la fraction diminue avec la taille de la galaxie.

Le milieu interstellaire est divisé en différentes phases. Certaines régions sont diffuses et extrêmement chaudes, avec des températures de millions de degrés. Dans ces régions, le gaz est ionisé, ce qui signifie que la plupart des atomes ont eu un ou plusieurs électrons arrachés en raison de la température élevée.

D'autres régions sont plus denses et plus froides, autour de 10 000 K.

Plus le gaz est chaud, plus la pression est élevée et plus il se dilate (c'est le même mécanisme qui fait monter une montgolfière).

A l'inverse, si le gaz se refroidit considérablement (jusqu'à environ 100 degrés Kelvin, soit –170 °C), des nuages ​​moléculaires très denses et froids se forment. C'est là que de nouvelles étoiles se forment !

Lors du Big Bang, pratiquement seuls des atomes d'hydrogène et d'hélium ont été créés, ce dont j'ai parlé plus en détail dans l'article Le Big Bang - un témoignage oculaire.

Mais lorsque les étoiles brûlent et meurent, elles renvoient une partie de leur gaz au milieu interstellaire - seulement maintenant il est pollué par des éléments plus lourds (que les astronomes généralisent affectueusement en les appelant tous des "métaux", bien que cela puisse sembler discordant pour les chimistes).

Galaxie
La nébuleuse de l'Aigle : cette image montre certains des composants d'une galaxie. Le gaz réside entre les étoiles. Sur le télescope, j'ai utilisé un filtre qui améliore l'oxygène doublement ionisé (couleurs cyan). L'« aigle » lui-même est un nuage moléculaire froid et poussiéreux. Il y a aussi de la matière noire, mais lorsque le gaz s'est condensé à ce point, il domine complètement la matière noire, qui soit dit en passant est invisible, alors tant pis. Crédit : Peter Laursen/NOT


Planètes - une fraction négligeable de la galaxie

Lorsqu'une étoile naît, un disque de gaz et de poussière se forme autour d'elle. La poussière peut s'agglutiner, formant des roches qui, à leur tour, forment des roches plus grosses qui peuvent éventuellement devenir des planètes.

Dans le budget de masse total, les planètes jouent un rôle de moins en moins important, mais elles sont probablement nécessaires à l'existence de la vie, elles sont donc tout de même assez excitantes.

Depuis la découverte des premières planètes en dehors de notre système solaire il y a à peine 25 ans, il est devenu évident que la plupart des étoiles ont des planètes. Nous connaissons aujourd'hui plus de 4 000 exoplanètes (c'est-à-dire des planètes en orbite autour d'autres étoiles que notre Soleil).


Trous noirs supermassifs et matière noire

Au centre de la plupart des galaxies se trouve un "trou noir supermassif". Ces trous noirs peuvent peser des millions ou des milliards de fois la masse du Soleil (en astronomie, tout est si massif que mesurer des choses en grammes ou en kilogrammes devient impossible, nous utilisons donc à la place les masses solaires, qui équivaut approximativement à deux milliards de milliards de milliards de kilogrammes) .

Du point de vue de la gravité, leur contribution est plutôt insignifiante par rapport au reste de la galaxie, mais pendant un certain temps, le noir peut générer un "noyau galactique actif", ou un quasar, qui peut expulser une partie substantielle de la matière de la galaxie de la galaxie. .

Parfois, ces quasars peuvent évacuer la galaxie de gaz à un point tel qu'il étouffe la formation de nouvelles étoiles.

Cependant, ce dont nous avons entendu parler jusqu'à présent ne représente qu'environ 1/6 de la masse totale. La majorité de la masse d'une galaxie est en fait quelque chose de complètement différent, à savoir la matière noire.

La matière noire diffère de la matière « normale » en ce sens qu'elle n'interagit que gravitationnellement. Cela signifie qu'il n'est ni affecté ni exercé par des forces électromagnétiques ou nucléaires, il ne peut donc pas émettre de lumière et il ne peut pas entrer en collision avec d'autres objets.

C'est justement parce qu'elle n'émet pas de lumière que nous l'appelons matière noire. Nous ne pouvons pas le voir; nous ne voyons que l'effet qu'il a sur les choses que nous pouvons voir, car il interagit gravitationnellement avec la matière lumineuse.

La matière normale peut se refroidir et devenir une galaxie dense, mais la matière noire a plus de mal à s'agglutiner, et se trouve donc dans un « halo » beaucoup plus grand autour de la partie visible de la galaxie.

Ainsi, ce que nous voyons comme une galaxie n'est en fait qu'une fraction de ce qu'est réellement une galaxie. Cette figure montre les dimensions approximatives des composants de la Voie lactée.

Galaxie
Les composants de la Voie lactée, vus "de face". La plupart des étoiles et des nuages ​​de gaz se trouvent dans un disque mince (bleu foncé). De plus, la Voie lactée, comme les deux tiers de toutes les galaxies spirales, a une fraction de ses étoiles situées dans un disque épais (cyan). Un "renflement" comprend le centre (orange), et dans un halo autour du disque, il y a du gaz chaud (rouge) ainsi que quelques très vieilles étoiles et environ 150 "amas globulaires" (jaune). Tout cela est entouré d'un halo de matière noire (gris) beaucoup plus grand. Le modèle est approximativement à l'échelle, mais en réalité, les différents composants ne sont pas aussi nettement divisés, diminuant avec la distance par rapport au centre. Illustration : Peter Laursen

Zoo galactique

Les galaxies se présentent sous une variété de formes et d'apparences, mais en général, nous pouvons les organiser en trois classes :

  • Galaxies spirales
  • Galaxies elliptiques
  • Galaxies irrégulières
Toutes ces classes ont cependant des sous-groupes, et certaines galaxies sont même quelque peu hors catégorie.

L'apparence d'une galaxie s'appelle sa morphologie. Si nous voulons étudier l'évolution des galaxies, il est pratique de les classer selon leur type, mais bien souvent, c'est un peu subjectif comment on classerait une galaxie morphologiquement, puisqu'il n'y a pas de frontières claires entre les différents types.

Si vous voulez aider les astronomes à classer les galaxies, vous pouvez visiter galaxyzoo.org et nous aider à décider.

Pas plus tard que l'année dernière, les résultats de cet astro-crowdsourcing ont conduit les astronomes à revoir notre compréhension du comportement des bras des galaxies spirales (voir cette vidéo pour un examen).

Mais regardons de plus près les différents types de galaxies.

Les magnifiques galaxies spirales

À mon avis, les galaxies spirales sont les plus belles. Caractérisés par un « renflement » central rougeâtre et un certain nombre de bras spiraux bleutés disposés dans un disque plat, ils tournent majestueusement avec des périodes de quelques centaines de millions d'années.

Les bras en spirale ne contiennent qu'environ 2 à 3 fois plus d'étoiles qu'entre eux, mais comme la formation active d'étoiles a lieu dans ces régions, elles sont beaucoup plus brillantes. Parce que les étoiles massives - qui brillent d'une lumière bleue mais s'éteignent rapidement - sont toujours là, les bras apparaissent bleus.

Environ les deux tiers des galaxies spirales ont une structure en forme de barre s'étendant à partir du renflement. La barre est probablement une sorte d'onde de densité, tout comme les bras spiraux, capables d'"aspirer" le gaz des bras spiraux environnants, qui peut ensuite être utilisé par de nouvelles étoiles.

Ce gaz peut également alimenter un trou noir supermassif au centre de la galaxie, le transformant en noyau galactique actif ou en quasar.

Galaxie

Quatre exemples de galaxies spirales : 1) La galaxie « grand dessein » M74. 2) La spirale barrée NGC 1300. 3) La galaxie "floculante" NGC 4414. 4) La galaxie spirale NGC 891 vue "par la tranche". Dans ce dernier exemple, nous regardons directement dans le disque poussiéreux, « rougissant » la lumière en filtrant la lumière bleue. Crédit : GMOS/NASA/ESA/STScl/Berentine/NOAO

Géants de l'univers : Galaxies elliptiques

Les galaxies elliptiques sont, selon nous, le résultat de la fusion de nombreuses (proto-) galaxies plus petites. Au cours de ces collisions, le taux de formation d'étoiles augmente d'abord de manière spectaculaire et nous voyons un ou plusieurs "starbursts".

La violente formation d'étoiles peut épuiser la majeure partie du gaz en une seule fois. La collision elle-même ainsi que les vents stellaires et les supernovae soufflent le reste du gaz, de sorte que la formation de nouvelles étoiles devient difficile. Ainsi, il ne reste que les vieilles étoiles, et comme les vieilles étoiles sont rouge-orange, c'est la couleur de la plupart des galaxies elliptiques.

Par conséquent, cette soi-disant extinction laisse derrière elle une galaxie rouge et «morte».

Les plus grandes galaxies de l'Univers sont elliptiques, avec des masses jusqu'à dix fois supérieures à celles de la Voie lactée. Ces monstres galactiques résident souvent au centre de grands amas de galaxies, c'est-à-dire des collections de centaines ou de milliers de galaxies, maintenues ensemble par la gravité.

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Quatre exemples de galaxies elliptiques : 1) 4C 73.08. 2) ESO 325-G004. 3) NGC 1132. 4) IC 2006. Ce n'est pas aussi amusant, non ? Crédit : ESA/Hubble/NASA

... et puis il y a tous les autres types de galaxies

Certaines galaxies, en particulier les plus petites, ne sont ni elliptiques ni discales, mais ont une forme complètement différente. Ces galaxies sont appelées galaxies irrégulières.

La forme irrégulière est souvent due à des collisions, ou quasi-collisions, avec d'autres galaxies.

Les galaxies irrégulières sont généralement petites, car les galaxies plus grandes sont mieux équipées pour résister aux secousses et aux agitations d'autres galaxies.

Un autre type est celui des galaxies lenticulaires, une sorte de combinaison entre les elliptiques et les spirales : elles présentent une certaine structure en spirale, mais aussi un halo elliptique clair.

Plus une galaxie est grande et massive, moins elle est commune. La plupart des galaxies sont donc des galaxies naines, qui peuvent ensuite être classées en spirales naines, elliptiques naines, irrégulières naines et galaxies sphéroïdales naines.

Les galaxies annulaires ont un renflement tout comme les galaxies spirales et une structure annulaire stellaire plus grande. Ils pourraient s'être formés par une autre galaxie volant directement à travers une galaxie spirale, mais ils sont très rares et donc pas trop bien étudiés.

Récemment, des astronomes ont trouvé la plus lointaine de ces étranges galaxies avec des preuves d'un « délit de fuite » cosmique ayant eu lieu il y a 11 milliards d'années.

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Quatre autres galaxies, et puis nous avons terminé : 1) La galaxie irrégulière NGC 1427A. 2) Le sphéroïdal nain Fornax. 3) La galaxie lenticulaire du Sombrero. 4) La galaxie annulaire Hoag's Object. Crédit : NASA/ESA/HST/ESO/DSS2/IDA/STScI/AURA.

La façon dont ces amas énigmatiques d'étoiles, de gaz, de poussière et de matière noire ont été créés en premier lieu est une histoire plus longue, sur laquelle vous pourrez en savoir plus dans un article de suivi ici sur ScienceNordic.

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