Lorsque les galaxies sont trouvés

2013/04/25 Miguel Querejeta Pérez - Astrofisikaria Iturria: Elhuyar aldizkaria

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Étoiles géantes

Au sommet du mont Mount Wilson, en Californie, le plus grand télescope du monde regardait la nuit noire, avec son énorme diamètre de 100 pouces. Le jeune Edwin Hubble vérifiait chaque soir que l'appareil était bien focalisé, tenant la pipe allumée avec la main, comme le Sherlock Holmes per­tsonaia. Grâce aux photographies obtenues par l'astronome américain entre 1919 et 1926, il résolut le mystère à la hauteur du détective de Baker Street: En analysant les nébules spirales M31 et M33, il s'est avéré que ce type d'astres sont de gigantesques ensembles d'étoiles éloignées de notre galaxie, loin des étoiles que nous pouvons voir à l'œil nu la nuit.

Figure : Photographie de l'astronome Edwin Hubble. À droite, le diagramme de classement des galaxies proposées par lui. A gauche du diagramme se trouvent les galaxies elliptiques, de couleur rougeâtre, formées par de vieilles étoiles qui n'ont guère de gaz. A droite se trouvent les galaxies spirales classées par volutes. Dans les bras spiraux il y a des étoiles nouvellement nées bleues, c'est pourquoi les bras acquièrent une couleur bleuâtre. Ed. Western Washington University

Le génial Edwin Hubble a ainsi résolu le débat qui devenait inachevable parmi les astronomes. Son symbole est la conférence qui s'est tenue à Washington le 26 avril 1920, dans laquelle a été analysée le thème complexe Great Debat, les nébuleuses en spirale sont des structures comme les nuages situés dans notre galaxie ou les astres géants beaucoup plus éloignés, comme les îles universelles. Et Hubble a mis fin à ce débat intense, démontrant que les structures que nous considérons aujourd'hui galaxies sont en dehors de notre Voie lactée. Mais il a également proposé la classification des galaxies selon leur morphologie. Cependant, grâce aux observations faites au cours des dernières décennies, nous savons que « l’île aux univers » n’est pas la meilleure façon d’exprimer ces objets, car dans l’univers il n’y a guère d’isolement, ni la plupart des galaxies.

Les ondes radio, une nouvelle façon de regarder l'univers

Figure : Quand les astronomes regardèrent l'Univers à travers de nouvelles longueurs d'onde, ils trouvèrent quelques désastres. Par exemple, dans l'image ci-dessus, nous pouvons voir comment il est dans les ondes visuelles NGC7252. Au contraire, les ondes radio détectent de longues files d'hydrogène et de gaz, influencées par une association galactique (couleur bleue dans l'image inférieure). Ed. NASA (Hubble Space Telescope, HST) et NRAO/AUI.

Qui n'a pas écrit de messages secrets avec du jus de citron ? Nous écrivions avec un stylo ou un bâton, et même si le papier était vide, nous savions que le papier gardait le message à l'intérieur. En s'approchant du feu d'une bougie, comme si c'était de la magie, le message apparaissait peu à peu devant nos yeux. Une telle manifestation magique a eu lieu lorsque les astronomes ont regardé l'univers avec de nouvelles longueurs d'onde. Nos yeux ne reçoivent aucune lumière, car nous ne percevons que les couleurs du spectre visible. Nous utilisons également d'autres longueurs d'onde dans la vie quotidienne, comme les micro-ondes, qui nous aident à chauffer la nourriture, et les ondes longues nous permettent d'écouter la radio. Mais nos yeux ne peuvent pas saisir ces ondes, de sorte que les premières observations astronomiques ont été basées sur les longueurs d'onde visibles. Dans les années 40, les ondes radio ont également commencé à être utilisées pour former une image plus précise de l'univers, ce qui a provoqué quelques contretemps aux astronomes.

Une des surprises est représentée dans la figure 2. Sur les ondes visuelles, la galaxie spirale est visible sur l'image de gauche, tandis que les ondes radio révèlent la queue formée de gaz et de poussière, l'influence de la rencontre avec une autre galaxie. En outre, lors de l'utilisation de nouvelles longueurs d'onde, de nombreuses galaxies ont été trouvées en dehors de la classification proposée par l'astronome Edwin Hubble et recueillies dans le catalogue appelé Arp. Des systèmes spéciaux comme Antennae (Figure 3) mettaient en évidence l’existence de galaxies présentant des morphologies vraiment curieuses dans l’univers, la plupart d’entre elles des rencontres inachevées.

Figure . En haut, premières simulations de rencontres de galaxies (Toomre 1972). Elle simule la jonction de deux galaxies de masse similaire, vues sous différents angles, pour analyser comment le système Antennae pouvait être formé. En bas, vous pouvez voir l'image du double système Antennae (NGC4038/39) pour comparer les deux. Ed. Toomre Toomre 1972, et Jack Harvey, Steve Mazlin, Rick Gilbert, and Daniel Verschatse.

Il serait très beau d'être témoin d'une de ces danses cosmiques. Malheureusement, nos courtes échelles de temps nous empêchent de suivre les évolutions des galaxies. Dans l'Univers, plus les distances sont grandes, plus les échelles de temps nécessaires pour détecter les changements sont longues, et les galaxies sont si grandes que leurs danses durent des centaines de millions d'années. Mais merci, les astronomes ont le chemin pour affronter ce problème : les simulations. Les premiers simulacres des rencontres de galaxies ont été réalisés en 1972 par les frères Toomre (voir figure 3). Depuis lors, des modèles informatiques plus précis ont été élaborés qui nous permettent de savoir que les rencontres intergalactiques sont un spectacle unique : parfois elles forment une danse lente, comme les radeaux ; parfois ce sont des unions violentes qui transforment totalement la structure des galaxies.

Naissance d'étoiles et de galaxies

Étonnamment, le choc entre les étoiles ne se produit presque jamais lorsque les galaxies sont trouvés. Comment se fait-il que deux astres géants, formés par des milliards d'étoiles, se réunissent sans quelques étoiles à la suite de ce processus ? La raison est assez simple et l'influence directe des échelles spatiales. La distance entre les étoiles est des millions de fois plus grande que la taille des étoiles, donc la probabilité de les trouver entre elles est très faible. Par exemple, le Soleil a un diamètre d'environ un million de kilomètres et l'étoile la plus proche du Soleil, Proxima Centauri, est à 40 milliards de kilomètres de diamètre similaire. Pour illustrer la différence entre la taille et la distance, nous pouvons utiliser le terrain de football : si ces deux étoiles se situaient aux extrémités du terrain, le Soleil devrait avoir la taille d'une motte de poussière pour maintenir la proportion !

Par conséquent, la plupart des galaxies sont pures ou, mieux, remplies de gaz et de poussière de très faible densité. Par conséquent, ce qui frappe vraiment dans les unions galactiques est le gaz, créant de nouvelles étoiles. Les détails ne sont pas encore exactement connus, mais il semble que la rencontre a comme conséquence un changement dans la dynamique des galaxies, dirigeant le gaz vers le centre; comme la compression que cela suppose, l'augmentation de la densité du gaz interstellaire, la fragmentation et la naissance de nouvelles étoiles dans le processus.

Jusqu'à présent, nous n'avons pas mentionné quels paramètres conditionnent le résultat de la rencontre. Il est clair que la morphologie des galaxies originales aura à voir avec le résultat : ce n'est pas la même chose que deux galaxies spirales se rencontrent ou que deux galaxies elliptiques se rejoignent. Les caractéristiques des orbites des galaxies sont également importantes : vitesse initiale, direction, mouvement de rotation de chaque galaxie... Cependant, il ya une caractéristique qui divise toutes les unions en deux grands groupes: la raison de masse entre les deux galaxies. Si une galaxie est beaucoup plus petite que l'autre (moins merger), la grande galaxie capte sans problème l'autre; dans ce processus cannibaliste, on peut détecter une queue d'étoiles et de gaz que la petite galaxie laisse derrière elle. La galaxie principale, quant à elle, augmente légèrement le sphéroïde ou le bulbe interne (en déplaçant à gauche dans le diagramme Hubble), mais sans trop le modifier. Ce type d'union modeste est beaucoup plus commun que prévu et nous pensons aujourd'hui que la plupart des galaxies ont subi au moins une d'entre elles tout au long de leur vie.

Figure : Ce diagramme représente schématiquement la différence entre minor merger et major merger. Sur la ligne supérieure, une galaxie spirale conquiert la galaxie nano elliptique. Dans la deuxième phase, vous pouvez voir la queue formée par l'hydrogène et la poussière. Dans la phase finale, cependant, une fois le système détendu, le seul effet est d'augmenter le bulbe de la galaxie principale et serrer les bras spiraux. Si vous regardez le diagramme de la figure 1, cela signifie que la galaxie a légèrement tourné à gauche dans le diagramme Hubble. Dans la deuxième rangée se trouvent deux galaxies spirales de masse similaire. Pendant la rencontre, dans une deuxième phase, les structures irrégulières et les longues files d'attente sont remarquables. Après plusieurs centaines de millions d'années, en nous relaxant, nous serons face à une galaxie elliptique. Dans le diagramme Hubble, les galaxies l'ont aussi fait à gauche, d'une manière plus évidente qu'avant. Ed. Miguel Querejeta Pérez

À l'autre extrémité de la raison de masse, nous trouvons en anglais des rencontres violentes et spectaculaires appelées major merger. Lorsque les deux galaxies ont une masse similaire, des formes très diverses peuvent apparaître pendant le choc. Si les galaxies d'origine étaient des spirales, la structure spirale est complètement brisée et au centre apparaît une boule désordonnée qui a été formé à nouveau à une étoile née, avec les feux d'artifice de l'union autour de lui. Cependant, après quelques centaines de millions d'années, le matériel de ces queues externes se dispersera et, comme la violente collision a épuisé tout le gaz, de nouvelles étoiles ne surgiront pas. A partir de ce moment, nous aurons entre nos mains une galaxie elliptique rouge d'étoiles anciennes.

L’avenir de la Voie lactée

Notre galaxie a également eu et aura la visite des voisins. En analysant avec le télescope la zone appelée halo, nous avons pu constater que nous sommes entourés de restes d'astres qui ont conquis notre Voie lactée. Par conséquent, nous pouvons affirmer que la structure actuelle de la Voie lactée est la conséquence de ces rencontres simples. Mais de plus, nous avons pris notre galaxie en plein tout en mangeant une autre galaxie. La Galaxie Naine de Sagittarius est un satellite de la Voie Lactée qui tourne autour d'elle, mais peu à peu notre Voie Lactée attire aussi le régan, diminuant la distance entre les deux. Comme dans les exemples ci-dessus, la petite masse de la galaxie naine de Sagittarius détruit progressivement l'union à mesure qu'elle avance, laissant derrière elle une longue queue d'hydrogène et de poussière.

Mais quel est l'avenir de la Voie lactée elle-même ? Y aura-t-il toujours une galaxie spirale ? Pour clarifier cela, nous devrions regarder nos voisins les plus massifs. La galaxie d'Andromède, d'ailleurs, est assez proche et, comme nous l'indiquent les mesures de vitesse, s'approche : le choc entre les deux galaxies est inévitable. L'union aura lieu dans des milliards d'années et ensuite nous serons les habitants d'une nouvelle galaxie. Cette galaxie nouvellement créée sera géante et une couleur rougeâtre apparaîtra de l'extérieur ; nous serons alors les habitants d'une grande galaxie elliptique. Les caractéristiques concrètes de la danse cosmique qui nous mènera à ce résultat, nous ne pouvons pas encore le savoir, mais il est clair qu'il mérite d'être témoin de ce spectacle unique.

Bibliographie Bibliographie

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Toomre, A.; Toomre, J. (1972). “Galactic Bridges and Tails” Astrophysical Journal, 178.