Rotation mystérieuse des galaxies spirales

Nous pourrions dire que tout est en mouvement dans l'univers, que tout corps tourne autour d'autre chose: Nous savons que la Lune autour de la Terre, la Terre autour du Soleil, et que toutes les étoiles de la Voie Lactée, y compris notre Soleil, se déplacent autour du centre galactique. Dans cette danse cosmique, la rotation des galaxies spirales a provoqué une grande surprise. Dans l'astrophysique du XXe siècle, et aujourd'hui, de nombreux astrophysiques consacrent des heures à mesurer et expliquer exactement ce phénomène.

Les nébuleuses en spirale furent appelées Charles Messier et d'autres cartographes célestes au XVIIIe siècle. Au XXe siècle. Cependant, jusqu'à il y a une centaine d'années, on ne pouvait pas démontrer que ces objets sont un gigantesque ensemble d'étoiles éloignées de notre Voie lactée. En fait, en 1925, l'astronome américain Edwin Hubble a clairement indiqué que ces entités comme les nuages sont en dehors de notre galaxie. Pour cela, il a utilisé comme laboratoire les galaxies NGC 6822 et M31, encore connues à l'époque comme "nébule spirale". En faisant un suivi d'un type particulier d'étoile (étoiles céphales) qui change de luminosité d'une certaine manière, il a calculé la distance à ces nébuleuses ; en comparant cette distance à la taille de la Voie lactée, il a conclu que ces objets sont en dehors de notre propre galaxie, des centaines de fois plus loin que les étoiles que nous pouvons voir la nuit.

Ainsi, les galaxies spirales que nous pouvons voir à travers les télescopes sont indépendantes de notre Voie Lactée, ensembles de millions d'étoiles, comme "l'île de l'univers". Par conséquent, la rotation des galaxies spirales est un phénomène indispensable : si ces galaxies n'avaient pas de mouvement de rotation, elles s'effondreraient et disparaîtraient par gravité. Voyons ce qui nous arrive en voiture quand nous donnons une courbe. En tournant avec la voiture, notre corps se déplace vers l'extérieur, en suivant la direction qu'il était au début (cette impulsion que nous ressentons dans la physique est appelée force centrifuge). Il en va de même pour les galaxies : si les étoiles ne bougent pas, l'attraction gravitationnelle comprimerait et éliminerait la galaxie (comme la Terre nous attire), tandis que si les étoiles tournent autour du centre de la galaxie, la force centrifuge peut éviter l'effondrement. Il est donc tout naturel que les galaxies aient un mouvement de rotation et que les astronomes espéraient que ce mouvement serait détecté d'une certaine manière.

Les îles de l'univers tournent

Au début, les scientifiques ont pensé que les galaxies spirales tournent comme un disque solide. Selon ce modèle intuitif, les bras spiraux rigides de la matière seraient toujours formés d'étoiles spontanées, et ne modifieraient pas leur forme au fil du temps : ils resteraient fermes et tourneraient toujours. Les galaxies réaliseraient la rotation comme si nous prenions aujourd'hui la photo d'une galaxie spirale et tournions sur un axe qui passe par le centre. Cependant, les galaxies ont besoin de centaines de millions d'années pour effectuer une rotation unique, de sorte que le changement de position des étoiles est impossible dans nos vies courtes.

Sur la ligne supérieure, on peut voir le mouvement de deux étoiles autour du centre de la galaxie : s'ils se déplacent comme un disque solide (première colonne) et comme il arrive réellement (deuxième colonne : la vitesse angulaire est plus grande à l'intérieur qu'à l'extérieur). Ed. Disque. Miguel Querejeta

Les premières mesures quantitatives sur la rotation des galaxies ont été effectuées en utilisant l'effet Doppler. Cet effet permet de déterminer la vitesse de chaque point de la galaxie par rapport au spectateur, car il se produit un changement proportionnel à cette vitesse sur la longueur d'onde de la lumière que nous détectons. La sirène des pompiers ne l'écoute pas quand elle s'approche et s'éloigne avec la même intensité, et en passant à côté de nous nous remarquons un changement de ton spécial. Comme la lumière est aussi l'onde, comme le son, un phénomène similaire se produit avec la lumière émise par les galaxies. Par conséquent, en mesurant la longueur d'onde de la lumière, nous pouvons obtenir des vitesses relatives des différentes zones de la galaxie.

Une grande frayeur galactique

Et la surprise que les astronomes ont trouvé lors de la mesure de ces vitesses. Si le modèle intuitif que nous venons d'expliquer était vrai, c'est-à-dire si la structure spirale tournait de manière cohérente et constante, nous devrions nous attendre à ce qu'une vitesse angulaire constante soit enregistrée (ce qui signifie que la vitesse linéaire devrait monter uniformément avec le rayon). Cependant, les vitesses linéaires mesurées par effet Doppler sont similaires à différents rayons (phénomène connu sous le nom "courbe plane de rotation"), ce qui signifie que la vitesse angulaire n'est pas constante à travers la galaxie. C'est-à-dire, quand une étoile de l'intérieur tourne, une autre étoile de l'extérieur tournera seulement demi ou quart de tour. Comme l'intérieur tourne plus vite, en réalisant deux ou trois rotations, la structure spirale de la galaxie serait si tortueuse qu'il serait impossible de distinguer la forme spirale: un grand mélange serait apprécié si l'on regarde la galaxie.

Outre le problème de la confusion de la structure spirale, ces astres mystérieux et spectaculaires gardaient une autre énigme importante. Si nous analysons attentivement l'une de ces galaxies spirales, nous voyons dans les bras plus d'étoiles bleues que dans d'autres régions, c'est pourquoi les bras spiraux sont bleutés et les parties centrales rougeâtres. Par conséquent, toute hypothèse qui prétend expliquer la structure des galaxies spirales devra tenir compte de deux problèmes : pourquoi la structure spirale ne se confond ni ne disparaît, et pourquoi il y a plus d'étoiles bleues dans les bras que dans les zones intérieures.

En 1964, les astrophysiques Chia-Chiao Lin et Frank Shu ont proposé une théorie élégante qui répondait à ces deux questions, sur la base de l'hypothèse que l'astronome suédois Bertil Lindblad a présentée l'année précédente. Cette théorie défend que les bras spiraux ne sont que comme une illusion optique: ils seraient des zones plus denses à un moment donné. Une perturbation du type d'onde produirait ces zones de plus grande densité et cette perturbation tournerait à une vitesse angulaire uniforme. Un des points les plus importants de cette théorie est que les étoiles qui forment ces bras spiraux de plus grande densité ne fonctionnent pas normalement en même temps que le bras spiral; la plupart des étoiles entrent dans la structure spirale et en sortent continuellement.

Galaxie spirale M51 (tourbillon de galaxies dans la constellation de Canes Venatici). Ed. Hubble Space Telescope, NASA. ). Ce diagramme représente schématiquement les bras spiraux de cette galaxie et la position du cercle de corrosion avec une ligne discontinue. A l'intérieur de la corrosion, les étoiles dépassent le motif spiral (Étoile 1), à l'extérieur

Embouteillages cosmiques

Pour clarifier ce dernier point, nous pouvons utiliser une métaphore. Pensons aux embouteillages fréquents sur la route (l'un de ceux que nous rencontrons quand nous sommes plus pressés). Regardons maintenant au-dessus de l'embouteillage, comme un satellite espion. Une perturbation, comme le travail, provoque la congestion des voitures. En conséquence, nous trouvons une plus grande densité de voitures dans une zone (embouteillages), et devant et derrière elle des zones de moindre densité. Mais, en général, les voitures passent par ce point de plus grande densité: dans l'embouteillage il n'y a pas toujours les mêmes voitures, bien que la position de l'embouteillage ne change rien ou la queue se déplace plus lentement que les voitures.

Une sorte de phénomène de l'embouteillage se produit dans la rotation des galaxies spirales. La structure de plus grande densité (bras spiral) est analogue à celle de l'embouteillage, puisque par elle les étoiles passent, ils ne se déplacent généralement pas à côté de la structure spirale. En outre, ce modèle explique pourquoi il ya plus d'étoiles bleues géantes dans les bras, où le gaz est comprimé en raison de la plus grande densité de l'onde, ce qui augmente le processus de formation des étoiles. La clé est que les étoiles bleues géantes ont une vie beaucoup plus courte que les autres (consomment plus vite le carburant, l'hydrogène), donc nous les trouvons toujours près du point où se forment les étoiles bleues géantes, c'est-à-dire près des bras spiraux, qui meurent bientôt.

En définitive, le modèle d'onde de densité proposé par Line et Shuk est un succès pour deux raisons: d'une part, parce qu'il explique pourquoi la structure spirale ne se défait pas (les étoiles et les structures spirales n'ont pas normalement la même vitesse angulaire) et, d'autre part, répond également à la question de la localisation particulière des étoiles bleues. Nous mesurons la vitesse des étoiles et non celle de la structure spirale, il n'est donc pas contradictoire d'affirmer que les modèles spiraux tournent comme les aiguilles de la montre, avec une vitesse uniforme, et que les étoiles ont une vitesse angulaire variable.

Nouveau compteur kilomètres galaxies

Galaxie NGC 6822. Il a été utilisé par l'astronome Edwin Hubble, avec la galaxie M31, pour affirmer que ces groupes d'étoiles sont en dehors de la Voie lactée, à savoir sont des galaxies. Ed. ANDÉN

Compte tenu de ce que nous avons dit, il est normal de créer la question suivante : si ces vitesses variables des étoiles sont celles que nous mesurons, peut-on déterminer la vitesse uniforme du motif spiral ? Cette mesure a une grande importance en cosmologie, car grâce à la vitesse de modèle, nous pouvons savoir quelle est la position de la matière noire. De plus, de nombreuses galaxies spirales ont au centre une barre dont la vitesse (différente de celle de la structure extérieure de la spirale) nous indique si la galaxie est entourée d'un halo de matière noire. Enfin, de nombreux astrophysiques considèrent que ces différentes vitesses de modèle, comme celle de la barre et la structure spirale, peuvent provoquer des phénomènes d'accouplement entre résonances.

Comme la vitesse angulaire de la galaxie spirale diminue en augmentant le rayon, en général, cette vitesse angulaire ne sera pas équivalente à la vitesse constante de la structure spirale. Cependant, il y aura un rayon spécial dans lequel les étoiles auront la même vitesse que la structure spirale: dans ce cercle, les étoiles avanceront périodiquement les bras spiraux et en dehors de ce cercle, à l'inverse, les bras spiraux dépasseront les étoiles avec une certaine fréquence. Ce cercle singulier est appelé corrosion et sa mesure équivaut à trouver la vitesse de motif, car il existe une équation qui relie les deux grandeurs. Pour trouver la corrosion, plusieurs méthodes ont été inventées, les plus simples basées sur la morphologie. En joignant une structure spéciale avec une orbite concrète, on peut trouver une corrosion, par exemple en identifiant des structures en forme d'anneau avec des orbites spéciales, on peut déterminer la correspondance. D'autres méthodes, basées sur la carte de vitesse mesurée, permettent de déterminer cette position (Tremaine-Weinberg, par exemple). Enfin, un grand effort a été fait pour représenter le comportement des galaxies par des simulations hydrodynamiques à travers des ordinateurs, qui dans certains cas peuvent limiter la valeur de la vitesse de modèle.

À l'Institut d'astrophysique des Canaries, nous avons développé une nouvelle méthode pour mesurer la position de la corrosion. Cette méthode est basée sur l'étude de la carte des vitesses non circulaires des galaxies, et la haute qualité des télescopes et des détecteurs disponibles rend possible leur application (ce qui était impossible il y a quelques décennies, car nous n'avions pas assez de précision instrumentale). Il est plus simple que la méthode utilisée jusqu'à présent, car il utilise uniquement la corrosion ou le changement de direction des courants de gaz qui se produisent près d'autres résonances. Ce changement de direction du gaz est donné par la théorie de la densité d'onde. Ainsi, en soustrayant à la carte des vitesses mesurées directement la courbe de rotation (vitesses circulaires), nous trouverons plus de changements de signe sur la carte de ces vitesses non circulaires que nous avons construites, dans les positions des résonances. Cette nouvelle technique a été appliquée à huit galaxies étudiées en bibliographie, obtenant des résultats prometteurs: nous avons trouvé des valeurs semblables à celles obtenues avec d'autres méthodes et presque toujours avec des intervalles d'incertitude mineurs. Une enquête plus approfondie menée par les auteurs de cet article, qui applique la nouvelle méthode à une centaine de galaxies avec grand succès, sera prochainement publiée.

En bref, expliquer la rotation des galaxies spirales a été un grand défi pour les astronomes. Cependant, l'hypothèse proposée par Line et Shuk dans les années 1960 montre avec élégance la structure spirale: les bras spiraux sont des zones de plus grande densité à un moment donné, formés par des étoiles qui entrent et sortent de là, et cette structure d'illusion optique de plus grande densité, qui tourne en direction des aiguilles de la montre, fermement, autour du centre de la galaxie. Il est important de connaître la vitesse modèle des galaxies, car il a une grande influence sur la cosmologie, et de déterminer la vitesse modèle des bras spiraux équivaut à trouver la position de la corrosion, un cercle dans lequel les étoiles se déplacent avec la structure spirale. On peut dire que la méthode que nous venons de développer à l'Institut d'Astrophysique des Canaries a fait un grand pas en avant dans ce domaine, car c'est une technique très directe qui a permis de mesurer la correspondance avec la précision qui jusqu'ici était impossible.

BIBLIOGRAPHIE