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Les nébuleuses et les galaxies

Les galaxies
Dans la seconde moitié du XVIIIe siècle, William Herschel, un astronome d'origine allemand émigré en Angleterre, construit de grands télescopes. Puis, avec ses instruments, il fait de nombreuses observations du ciel, en comptant les étoiles qui voient dans les différentes directions. Ils découvrent ainsi que le soleil est inclus dans un vaste ensemble d’étoiles, de forme aplatie, qu'il propose d'appeler la galaxie. La Voie lactée en est la trace visible dans le ciel. Avec des télescopes beaucoup plus puissants, on a découvert depuis le début du XXe siècle que l'univers est peuplé de millions de galaxies, plus ou moins semblables à la nôtre.
Notre galaxie
De nombreuses observations ont permis aux astronomes de connaître la structure, la forme et les dimensions de notre galaxie. Sa partie principale (qui rassemble les deux tiers de la masse totale) est un immense disque d'environ 100'000 années-lumière de diamètre pour 1000 à 2000 années de lumière seulement d'épaisseur moyenne. Dans ce disque, la matière se concentre le long de trois ou quatre bras tordus en spirale. C'est ce qui fait dire de notre galaxie qu'elle est une galaxie spirale. Ses bras sont les sites où se forment de nouvelles étoiles. Le soleil se trouve en bordure d'un bras, à quelques 30'000 années-lumière au centre de la galaxie.
Au centre du disque se trouve une grosse boursouflure, le bulbe, d'environ 15'000 années-lumière de long et 5000 années-lumière d'épaisseur. C'est la région la plus dense de la galaxie. Ce bulbe est peuplé de vieilles étoiles. Sa partie centrale, le noyau de la galaxie, se dissimule derrière des nébuleuses de gaz et de poussières. On ne peut l’étudier que par des rayonnements invisibles qu'il émet, particulièrement l'infrarouge ou les ondes radio. Le noyau recèle une grosse concentration de matière : peut-être un volumineux amas d'étoiles ? Peut-être un énorme trou noir ?
Les amas stellaires
Ce sont des groupes d'étoiles nées ensemble. L'étude de notre galaxie a révélé l'existence de deux types d'amas stellaires. À l'intérieur du disque, on observe des groupes peu concentrés de quelques centaines d'étoiles jeunes : ce sont des amas ouverts (ou amas galactiques). Autour du disque, on trouve, répartis dans un immense halo sphérique, d'énormes « pelotes » de très vieilles étoiles : ce sont des amas globulaires. Chacun pour rassembler plusieurs centaines de milliers d'étoiles. Dans la région centrale des amas globulaires, les étoiles sont si étroitement serrées les unes contre les autres qu'on ne les distingue plus individuellement.
Les nébuleuses
La matière dispersée entre les étoiles forme des nébuleuses. Cette matière est beaucoup moins concentrée de ce que nous appelons le vide. Les nébuleuses sont essentiellement constituées d'hydrogène -- qui est l'élément le plus abondant de l'univers -- mais elle renferme aussi de grandes quantités de poussières. Il existe une grande variété de nébuleuses. Les nébuleuses diffuses émettent de la lumière lorsqu'elles sont situées à proximité d’étoile chaudes : c'est le cas de la grande nébuleuse d'Orion. Sinon, on les détecte surtout grâce aux ondes radio qu’émettent leurs atomes d'hydrogène.Les nébuleuses obscures n’émettent pas de lumière et absorba celle des étoiles situées derrière elles. Elles se détachent en ombres Chinoises sur le fond étoilé du ciel. La tête de cheval, dans la constellation d'Orion, en est un beau spécimen.
Dans certaines nébuleuses, des étoiles sont en train de naître. Lorsque la matière du nébuleuses et suffisamment concentrer, les atomes s'unissent et constituent des molécules : la nébuleuse devient un nuage moléculaire dans lequel vont se former des étoiles. C'est ce qui se passe dans la nébuleuse Rho Ophiuchi.
D'autres nébuleuses sont, au contraire, des « cendres » d'étoiles : les nébuleuses planétaires et les restes de supernova. Les nébuleuses planétaires sont des bulles de gaz éjecté par des étoiles dont la masse est peu importante et qui sont devenus instables à la fin de leur vie. Elles se diluent dans l'espace en quelques dizaines de milliers d'années. Les restes de supernova sont les débris de l'explosion d'étoiles massives. Leur matière se disperse à grande vitesse, précédée par une onde de choc qui comprime et chauffe l’espace interstellaire. L'exemple le plus célèbre est celui de la nébuleuse du crabe, dans la constellation du taureau. Elle résulte de l'explosion d'une étoile observée en l'an 1054 par les Chinois. L'étoile, en explosant, devint une brillante qu'on pût la voir en plein jour pendant trois semaines.
Les autres galaxies
Le britannique Herschel (1738-1822) ainsi que d'autres savants au philosophe de son époque, comme le britannique Thomas Wright (1711-1786) et l'allemand Emmanuel Kant (1724-1804), avaient eu l'intuition que notre galaxie n'est pas unique et que l'univers est peuplé de systèmes analogues. Mais il a fallu attendre les travaux de l'Américain Edwin Hubble (1889-1953) pour en avoir la preuve.
La découverte des galaxies
En 1924, à l'aide du grand télescope de 2.54m d'ouverture de l'observatoire du mont Wilson, en Californie, Edwin Hubble a mis en évidence des étoiles particulières dans ce qu'on appelle alors la « nébuleuse » d'Andromède. Ce que beaucoup d'astronomes pensaient n'être qu'un vaste nuage de gaz se révèle donc une gigantesque agglomération d'étoiles et de matière interstellaire : une galaxie. Ensuite, beaucoup d'autres galaxies seront identifiées. On n'en connaît aujourd'hui des dizaines de millions. Les galaxies proches les unes des autres s'attirent mutuellement avec la force suffisante pour se déformer. Il existe même des galaxies reliées par des ponts de matière.
Les galaxies actives
Certaine galaxie (moins de 5 % au total) sont dites « actives » ou « à noyau actif ». Leur noyau émet mille fois plus d'énergie que celui des galaxies ordinaires et constituent une source intense rayonnement gamma, X. et ultraviolet. Sous l'effet de ces rayonnements, la matière environnante est fortement chauffée et animée de mouvement violents : elle émet des ondes radio et un faisceau concentré d'électrons très rapides.
Parmi les galaxies actives, certaines sont appelées radiogalaxies parce qu'elles émettent surtout des ondes radio. Les radiogalaxies émettent à elle seule environ un million de fois plus de rayonnement sous forme d'ondes radio qu'une galaxie ordinaire.
Les quasars
Depuis 1963, les astronomes ont identifié des objets qui semblent bien être le noyau très lumineux de galaxies actives lointaines. Comme ils ressemblent à des étoiles et que les premiers qui ont été découverts émettent beaucoup d'ondes radio, on les a appelés des quasars. Ce nom est une contraction de l'expression anglaise quasi stellar astronomical radiosources, qui signifie « radiosources astronomique quasi stellaire ». Les astronomes ont cherché la raison pour laquelle les quasars émettent en énergie. Il pense que ceux-ci abritaient en leur centre un gigantesque trou noir, d'une masse de l'ordre de 100 millions de fois celle du Soleil. Avant d'être embouti par ce trou noir, le gaz environnant tourbillonne et devient très chaud. Il émet alors un rayonnement très intense qui correspond à une fantastique énergie libérée par les quasars.
Les astronomes considèrent que les quasars sont les astres des plus lointains que l'on connaisse aujourd'hui. En effet, les raies de leur spectre sont toujours très fortement décalées vers le rouge. Cela conduit à as pensé qu'ils sont situés extrêmement loin. Compte tenu de leur éclat apparent, on en déduit qu'ils sont de 100 à mille fois plus lumineux que les galaxies, tout en ayant un diamètre cent fois moindre ! Du fait de leur éloignement supposé, les quasars fournissent des informations sur le passé de l'univers. Leur lumière, en effet, à voyager des milliards d'années dans l'espace avant de parvenir ; elle nous renseigne donc que sur l'univers tel qu'il était voici des milliards d'années.
Amas et supernova
Les galaxies sont rarement isolées dans l'espace. Elles forment des groupes, des amas, des supernovas et même des hyperamas.
Il était très important d'étudier leur répartition dans l'espace sur de très grandes distances pour connaître la structure de l'univers.
Les amas de galaxies
La plupart des galaxies appartiennent à des groupes de une à plusieurs dizaines, ou à des amas, qui peuvent en compter plusieurs milliers. La force avec laquelle les galaxies d'un groupe ou d'un amas s'attire mutuellement, du fait de leur masse, les suffisantes pour les empêcher de se disperser. D'autres galaxies appartient à un petit amas d'une trentaine de membres, l’Amas local. Celui-ci contient aussi la galaxie M 31 d'Andromède, premières galaxies en dehors de la nôtre qui ait été identifiée : comme notre galaxie, c'est une spirale, mais elle renferme le double d'étoiles car elle est deux fois plus étendue. Situé à 2'200'000 années-lumière, c'est l'objet stellaire le plus lointain que l'on puisse distinguer à l'oeil nu.
Les supernovas
On connaît plusieurs dizaines de milliers d'amas de galaxies. Ils sont souvent rassemblés en d'immenses amas d'amas, ou supernova, qui s'étendent sur 100 millions d'années-lumière ou plus.
L'amas local et l'ensemble des galaxies proches sont inclus dans le superamas local, à 50 millions années-lumière de distances environ.
D'après certaines observations, il aurait même des amas de superamas : ces hyperamas s'étendrait sur plusieurs centaines de millions d'années-lumière de longueur. La plus spectaculaire concentration de galaxies que l'on connaisse dans l'hémisphère nord du ciel a été détecté en 1989. On l'appelle la « Grande muraille ». C'est en quelque sorte une chaîne d'amas et de superamas formant une véritable barrière de galaxies de 500 millions d'années-lumière de long, 200 de large et 15 d'épaisseur.
Les travaux récents suggèrent aussi que notre galaxie est, avec beaucoup d'autres, sous l'emprise d'une énorme concentration de matière qui les attire et perturbe leur mouvement.
Ce « grand attracteur » s'étendrait sur environ 250 millions d'années-lumière dans la direction des constellations de l’Hydre et du Centaure (visible dans l’hémisphère sud). Il aurait une masse équivalant de 30 millions de milliards de fois celle de notre galaxie. On pense que son centre se trouve à 150 millions d'années-lumière de distances.
La structure de l'univers
Les astronomes ont découvert des régions du cosmos pratiquement dépourvues de galaxies. Le premier de ces grands vides a été repéré en 1981 dans la direction de la constellation du Bouvier. Tout se passe comme si les groupes de galaxies (amas et superamas) se disposaient sur les parois de gigantesque cellule dont l'intérieur serait vide de galaxies. La structure de l'univers ressemblerait à celle d'une grappe de bulles de savon. Mais, sur des distances plus grandes que le milliard d'années-lumière, les astronomes pensent que cette structure disparaît et que les galaxies se répartissent uniformément dans toutes directions.