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Une galaxie est une concentration d’étoiles réunies par la force de gravité. Il y en a de plusieurs sortes, certaines « vives » (qui donnent de nouvelles étoiles) et certaines « passives » (qui n’en donnent pas ou très peu). Toutes évoluent depuis l’origine des temps, en interne et des fois mais de moins en moins, par des rencontres ou plutôt des collisions car l’Espace est grand mais les galaxies aussi et la force de gravité omniprésente. En fin de compte, comme tout objet créé, elles mourront.
Les trois grandes catégories de galaxies sont les elliptiques, les spirales, les irrégulières. Comme on le constate les distinctions sont purement descriptives. Edwin Hubble qui a compris en 1920 que ce qu’on appelait « les nébuleuses » étaient d’autres Voies-lactées en dehors de la nôtre, avait établi en 1926 une « séquence » qu’il pensait correspondre à leur évolution (voir illustration de titre). Il partait de l’elliptique la plus sphérique en allant vers la plus ovale pour passer ensuite aux deux branches des spirales (« barrées » ou non), d’autant plus évoluées que leurs bras étaient plus ouverts. Nous n’en sommes plus là car il semble aujourd’hui que les elliptiques n’ont probablement pas précédé les spirales mais qu’au contraire elles résulteraient de leur fusion (beaucoup moins nombreuses aujourd’hui qu’au début de l’histoire des galaxies, du fait de l’expansion de l’Univers) !
Tout d’abord il faut dire qu’on comprend mieux qu’à l’époque de Hubble la logique qui préside à la formation des galaxies. Au départ (Big-bang+380.000 ans), les anisotropies (irrégularités) de la Surface-de-dernière-diffusion (lors de la libération de la lumière) induisent des fluctuations de densités dans les gaz primordiaux (presque uniquement hydrogène et un petit peu d’hélium) qui se concentrent progressivement en nuages distincts au fur et à mesure que l’expansion les séparent et que la température baisse. La force de gravité agit sur les masses, la densité des nuages plus froids augmente et des protogalaxies se forment. A l’intérieur de ces protogalaxies, les irrégularités de la distribution du gaz, toujours causées par la gravité, provoquent des concentrations plus fortes (et donc de plus en plus de chaleur plus on va vers le centre) qui donnent naissance aux étoiles tout en laissant entre elles d’abondants nuages de gaz. On atteint ainsi le stade des premières galaxies, qui se différencient des nuages précisément parce qu’elles contiennent des étoiles. Ces premières galaxies sont dites « sombres » non parce qu’elles ne sont pas lumineuses (bien qu’au début, elles doivent contenir peu d’étoiles) mais tout simplement parce qu’elles sont dissimulées par le brouillard prévalant pendant la période (d’où l’expression « d’Ages-sombres »).
Au sein des galaxies les étoiles sont entrainées par la force de gravité dans une rotation autour de leur centre qui a priori contient toujours un trou-noir (de masse proportionnelle à la galaxie) comme un système planétaire est centré autour d’une étoile, en raison de la densité plus forte au centre. Une première distinction entre les galaxies elliptiques et les spirales est que dans ces dernières le mouvement des étoiles ne s’effectue pas principalement dans le plan d’un disque mais dans de multiples plans autour du centre ponctuel. Une galaxie elliptique n’est pas « plate » comme une galaxie spirale mais tridimensionnelle (en “oubliant”, pour simplifier, le bulbe).
A l’intérieur d’une galaxie, les étoiles se forment, de masses différentes selon la disponibilité et la densité du gaz. « Il y a de tout », des grosses et des petites, depuis les naines brunes (0,08 masses solaires) jusqu’aux géantes (8 à 100 masses solaires…et plus) en passant par les naines jaunes (0,6 masses solaires et jusqu’à 8 masses solaires) et par les naines rouges (entre 0,08 et 0,6 masses solaires). Lorsqu’elles sont « massives » elles explosent très vite (après deux ou trois millions d’années seulement) répandant leur matière à des vitesses relativistes (pourcentage relativement élevé de la vitesse de la lumière, disons à partir de 10%), comprimant ainsi les nuages de gaz subsistant dans leur environnement et provoquant de nouvelles concentrations de matière donc d’étoiles. Notre Soleil est né comme cela après la mort par supernova d’une étoile géante qui a très probablement donné aussi naissance à une ou des étoiles sœurs dont on a perdu la trace car chacune était animée d’une vitesse différente sur une trajectoire différente, ou bien parce que l’une d’entre elle(s) était une étoile géante et qu’elle est morte depuis très longtemps.
Les galaxies elliptiques, sphériques ou oblongues, sont de tailles très variables (de 3.000 à 700.000 années-lumière de diamètre) en fait certaines sont beaucoup plus grandes que les plus grandes des galaxies spirales (de 50.000 à 200.000 années-lumière). Mais la caractéristique principale est qu’elles sont pauvres en gaz. Elles sont donc très peu propices à la naissance de nouvelles étoiles. Cela sous-entend aussi qu’elles contiennent peu d’étoiles massives puisque ce sont celles qui rassemblent puis qui diffusent le plus de matière dans leur environnement, et qu’elles ont une vie courte. Elles contiennent donc également beaucoup de vieilles étoiles (lumière tendant vers le rouge).
Les galaxies spirales sont des galaxies « vivantes », à l’intérieur desquelles les brassages sont nombreux, la raison principale étant l’abondance des nuages d’hydrogène. Ces nuages sont des pépinières d’étoiles qui s’expriment par de nouvelles naissances lors de chaque contraction occasionnée par un événement tel qu’une supernova, particulièrement fréquentes dans les régions denses près du centre ou dans les bras spiraux. Ces étoiles jeunes et plutôt massives brillent plutôt en bleu. Cette jeunesse implique que la métallicité (richesse en éléments plus lourds que l’hydrogène ou l’hélium) est beaucoup plus élevée dans les spirales que dans les elliptiques.
Mais les galaxies ne contiennent pas que de la matière baryonique et du vide. Une des raisons qui ont mis les astrophysiciens sur la piste de la matière noire est que la vitesse de rotation des étoiles distantes du centre galactique des étoiles spirales (comme par exemple le Soleil qui se trouve à 26.000 années-lumière du centre de la Voie-Lactée qui a un rayon de quelques 50.000 années-lumière) est telle qu’elle serait au sein d’une masse beaucoup plus étendue. La masse s’étendant bien au-delà des limites visibles du disque, serait la fameuse « matière noire » (qui pourrait aussi être présente à l’intérieur du disque) NB: on ne parle pas ici d’antimatière qui doit être très rare dans l’Univers puisque détruite en quasi totalité “dans l’oeuf” mais de matière noire.
Si l’on peut dire que les galaxies sont vivantes c’est que leurs étoiles le sont, c’est-à-dire que non seulement elles naissent mais qu’aussi elles meurent. J’ai déjà parlé des étoiles massives qui enrichissent leur environnement mais il y a aussi les naines-jaunes comme notre Soleil, dont la maturation est très longue et aussi les naines-rouges ou les naines-brunes, toutes deux très nombreuses et dont la maturation est encore plus longue. Les naines-jaunes vont nourrir l’espace comme leurs sœurs géantes avec les éléments « métalliques » qu’elles auront produits et donner in-fine des naines-blanches (constituées de « matière électronique dégénérée »). Les naines rouges et les naines brunes vont évoluer, c’est-à-dire se refroidir, très lentement, pour donner toutes, un jour, comme les naines-blanches, des naines-noires. Les naines-rouges et les naines-brunes sont donc en partie l’expression de la vie des galaxies mais elles y contribuent très peu. Petit à petit (mais dans très longtemps) ces étoiles mortes seront absorbées par le trou-noir central de leur galaxie, et les astres errants hors galaxies (il y en a, évidemment difficile à observer !) seront dispersés dans le vide. Un jour, tous les feux seront éteints dans un Univers désert (l’expansion accélérée va éloigner de plus en plus les galaxies puis les astres les uns des autres) et très froid.
Un autre facteur d’enrichissement et d’évolution est celui des collisions de galaxies. C’est le jeu des forces gravitationnelles combinées à celle de l’expansion qui les provoque. Les galaxies se fuient les unes les autres en raison de cette dernière, sauf celles qui sont en relation gravitationnelle du fait de leur proximité et de leurs masses. Ainsi la Voie Lactée et sa voisine la Galaxie d’Andromède se rapprochent à 130 km/s et « un jour » (dit-on dans 4 ou 5 milliards d’années) elles fusionneront (ce qui, en passant, donnera lieu à la création d’une « galaxie irrégulière » et peut-être ultérieurement d’une galaxie elliptique) mais toutes les deux, partie de l’amas de la Vierge, lui-même partie du vaste superamas « Laniakea », foncent ensemble dans la même direction, le cœur de ces deux super-structures.
A une même époque, la nôtre ou plutôt quelques centaines de millions d’années avant (puisqu’on ne peut observer notre Univers contemporain de fait de la courbure de notre regard résultant de la limitation de la vitesse de la lumière), l’espace apparaît homogène. En réalité s’il l’est bien à petite échelle, il ne l’est pas à grande échelle. A petite échelle en effet on trouve des galaxies de toutes sortes avec des étoiles de tout âge selon une répartition aléatoire mais in fine, homogène. A contrario, à grande échelle une galaxie elliptique avec son gaz rare et ses vieilles étoiles ne va pas du tout ressembler à une spirale voisine avec son gaz abondant et ses jeunes étoiles; de même pour telle étoile avec son étoile voisine.
Si l’on considère l’Univers non plus dans l’espace contemporain mais dans la profondeur du temps, on peut constater comme toujours, qu’il est marqué par l’évolution, et que l’homogénéité d’aujourd’hui n’est pas celle d’hier. Quelle que soit la période considérée, le terme de « fractal » pourrait sembler s’appliquer plutôt bien pour le décrire (selon Wikipedia « un objet géométrique infiniment morcelé dont les détails sont observables à une échelle arbitrairement choisie »). Mais ce n’est qu’une impression car si l’on considère la forme, la taille, la masse, l’ancienneté ou la jeunesse de chacune en la comparant aux autres, on peut constater que certes les galaxies de même type ou sous-type se ressemblent mais qu’elles ont toutes leur « personnalité ». En fait elles sont toutes différentes, comme les étoiles ou les êtres humains.
Dans le même esprit, je veux devancer un commentaire. Cette grande homogénéité à petite échelle et cette grande diversité à grande échelle pour une même période ne permet pas de préjuger de la fréquence du phénomène de la vie. Comme je l’ai déjà écrit plusieurs fois dans ce blog, je considère que ce dernier résulte d’un concours de circonstances tout à fait extraordinaires dont nous avons bénéficié, un épiphénomène (au regard de l’Univers) qui ne s’est peut-être pas produit ailleurs. J’aurais tendance à plutôt dire « sans doute pas » tout en espérant un jour être contredit par la réalité ! De nouveaux instruments, tels que le télescope de 30 mètres (TMT) qui devrait être construit au sommet du Mauna Kea (Hawai), nous permettront peut-être d’en savoir davantage. « Ce qui est bien » en astronomie/astrophysique c’est qu’on est toujours dans l’attente et l’espérance portées par des progrès technologiques absolument extraordinaires qui « vont arriver demain » !
Illustration de titre :
La séquence de Hubble. Esthétiquement satisfaisante mais scientifiquement contestable car les galaxies elliptiques semblent aujourd’hui résulter de la fusion de galaxies spirales.
Meilleurs voeux pour 2021 !
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