La vie des galaxies et l'histoire de leur étude

2024 Auteur: Seth Attwood | [email protected]. Dernière modifié: 2023-12-16 16:04

L'histoire de l'étude des planètes et des étoiles se mesure en millénaires, le Soleil, les comètes, les astéroïdes et les météorites - en siècles. Mais les galaxies, dispersées dans tout l'Univers, les amas d'étoiles, les gaz cosmiques et les particules de poussière, ne sont devenus l'objet de recherches scientifiques que dans les années 1920.

Des galaxies ont été observées depuis des temps immémoriaux. Une personne ayant une bonne vue peut distinguer des taches lumineuses dans le ciel nocturne, semblables à des gouttes de lait. Au Xe siècle, l'astronome persan Abd-al-Raman al-Sufi mentionna dans son Livre des étoiles fixes deux taches similaires, maintenant connues sous le nom de Grand Nuage de Magellan et la galaxie M31, alias Andromède.

Avec l'avènement des télescopes, les astronomes ont observé de plus en plus de ces objets, appelés nébuleuses. Si l'astronome anglais Edmund Halley n'a recensé que six nébuleuses en 1716, alors le catalogue publié en 1784 par l'astronome naval français Charles Messier en contenait déjà 110 - et parmi elles quatre douzaines de galaxies réelles (dont M31).

En 1802, William Herschel a publié une liste de 2 500 nébuleuses, et son fils John a publié un catalogue de plus de 5 000 nébuleuses en 1864.

Notre plus proche voisine, la galaxie d'Andromède (M31), est l'un des objets célestes préférés des amateurs d'observation et de photographie astronomiques.

La nature de ces objets a longtemps échappé à la compréhension. Au milieu du XVIIIe siècle, certains esprits avertis ont vu en eux des systèmes stellaires similaires à la Voie lactée, mais les télescopes de l'époque n'ont pas permis de tester cette hypothèse.

Un siècle plus tard, l'opinion prévaut que chaque nébuleuse est un nuage de gaz illuminé de l'intérieur par une jeune étoile. Plus tard, les astronomes ont été convaincus que certaines nébuleuses, dont Andromède, contiennent de nombreuses étoiles, mais pendant longtemps, il n'a pas été clair si elles se trouvaient dans notre Galaxie ou au-delà.

Ce n'est qu'en 1923-1924 qu'Edwin Hubble a déterminé que la distance de la Terre à Andromède était au moins trois fois le diamètre de la Voie lactée (en fait, environ 20 fois) et que M33, une autre nébuleuse du catalogue Messier, n'était pas moins loin de nous. Ces résultats ont marqué le début d'une nouvelle discipline scientifique - l'astronomie galactique.

En 1926, le célèbre astronome américain Edwin Powell Hubble proposa (et en 1936 modernisa) sa classification des galaxies selon leur morphologie. En raison de sa forme caractéristique, cette classification est également appelée « Hubble Tuning Fork ».

Sur la «tige» du diapason, il y a des galaxies elliptiques, sur les dents de la fourche - des galaxies lenticulaires sans manches et des galaxies spirales sans barre-pont et avec une barre. Les galaxies qui ne peuvent pas être classées dans l'une des classes énumérées sont appelées irrégulières ou irrégulières.

Nains et géants

L'univers est rempli de galaxies de tailles et de masses différentes. Leur nombre est connu très approximativement. En 2004, le télescope en orbite Hubble a découvert environ 10 000 galaxies en trois mois et demi, balayant dans la constellation australe Fornax une région du ciel cent fois plus petite que la surface du disque lunaire.

Si l'on suppose que les galaxies sont réparties sur la sphère céleste avec la même densité, il s'avère qu'il y en a 200 milliards dans l'espace observé. Cependant, cette estimation est largement sous-estimée, car le télescope n'a pas pu remarquer un grand nombre de galaxies très faibles..

Forme et contenu

Les galaxies diffèrent également par leur morphologie (c'est-à-dire leur forme). En général, ils sont divisés en trois classes principales - en forme de disque, elliptiques et irréguliers (irréguliers). C'est un classement général, il y en a beaucoup plus détaillés.

Les galaxies ne sont pas du tout réparties au hasard dans l'espace. Les galaxies massives sont souvent entourées de petites galaxies satellites. Notre Voie lactée et Andromède voisine ont au moins 14 satellites, et il y en a probablement beaucoup plus. Les galaxies adorent s'unir par paires, triplés et groupes plus importants de dizaines de partenaires liés gravitationnellement.

Les plus grandes associations, les amas galactiques, contiennent des centaines et des milliers de galaxies (le premier de ces amas a été découvert par Messier). Parfois, une galaxie géante particulièrement brillante est observée au centre de l'amas, qui serait apparue lors de la fusion de galaxies plus petites.

Et enfin, il existe également des superamas, qui comprennent à la fois des amas et des groupes galactiques, et des galaxies individuelles. Ce sont généralement des structures allongées pouvant atteindre des centaines de mégaparsecs. Ils sont séparés par des vides spatiaux presque entièrement dépourvus de galaxies de la même taille.

Les superamas ne sont plus organisés en structures d'un ordre supérieur et sont dispersés à travers le Cosmos de manière aléatoire. Pour cette raison, à une échelle de plusieurs centaines de mégaparsecs, notre Univers est homogène et isotrope.

Une galaxie en forme de disque est une galette stellaire tournant autour d'un axe passant par son centre géométrique. Habituellement, des deux côtés de la zone centrale de la crêpe, il y a un renflement ovale (du renflement anglais). Le renflement tourne également, mais avec une vitesse angulaire inférieure à celle du disque. Dans le plan du disque, des branches en spirale sont souvent observées, regorgeant de luminaires brillants relativement jeunes. Cependant, il existe des disques galactiques sans structure en spirale, où il y a beaucoup moins d'étoiles de ce type.

La zone centrale d'une galaxie en forme de disque peut être coupée par une barre stellaire - une barre. L'espace à l'intérieur du disque est rempli d'un gaz et d'un milieu de poussière - le matériau source des nouvelles étoiles et systèmes planétaires. La galaxie a deux disques: stellaire et gazeux.

Ils sont entourés d'un halo galactique - un nuage sphérique de gaz chaud raréfié et de matière noire, qui constitue la principale contribution à la masse totale de la galaxie. Le halo contient également de vieilles étoiles individuelles et des amas d'étoiles globulaires (amas globulaires) vieux jusqu'à 13 milliards d'années. Au centre de presque toutes les galaxies en forme de disque, avec ou sans renflement, se trouve un trou noir supermassif. Les plus grandes galaxies de ce type contiennent chacune 500 milliards d'étoiles.

voie Lactée

Le soleil tourne autour du centre d'une galaxie spirale assez ordinaire, qui comprend 200 à 400 milliards d'étoiles. Son diamètre est d'environ 28 kiloparsecs (un peu plus de 90 années-lumière). Le rayon de l'orbite solaire intragalactique est de 8,5 kiloparsecs (de sorte que notre étoile se déplace vers le bord extérieur du disque galactique), le temps d'une révolution complète autour du centre de la Galaxie est d'environ 250 millions d'années.

Le renflement de la Voie lactée est de forme elliptique et possède une barre qui a été récemment découverte. Au centre du renflement se trouve un noyau compact rempli d'étoiles d'âges divers - de plusieurs millions d'années à un milliard et plus. À l'intérieur du noyau, derrière des nuages poussiéreux denses, se trouve un trou noir plutôt modeste selon les normes galactiques - seulement 3,7 millions de masses solaires.

Notre Galaxie possède un double disque stellaire. Le disque interne, qui n'a pas plus de 500 parsecs verticalement, représente 95 % des étoiles de la zone du disque, y compris toutes les jeunes étoiles brillantes. Il est entouré d'un disque externe de 1 500 parsecs d'épaisseur, où vivent des étoiles plus anciennes. Le disque gazeux (plus précisément, gazeux-poussière) de la Voie lactée a une épaisseur d'au moins 3,5 kiloparsecs. Les quatre bras spiraux du disque sont des régions de densité accrue du milieu gaz-poussière et contiennent la plupart des étoiles les plus massives.

Le diamètre du halo de la Voie lactée est au moins le double du diamètre du disque. Environ 150 amas globulaires y ont été découverts et, très probablement, une cinquantaine d'autres n'ont pas encore été découverts. Les amas les plus anciens ont plus de 13 milliards d'années. Le halo est rempli de matière noire avec une structure grumeleuse.

Jusqu'à récemment, on pensait que le halo était presque sphérique, cependant, selon les dernières données, il peut être considérablement aplati. La masse totale de la Galaxie peut atteindre 3 000 milliards de masses solaires, la matière noire représentant 90 à 95 %. La masse des étoiles de la Voie lactée est estimée à 90-100 milliards de fois la masse du Soleil.

Une galaxie elliptique, comme son nom l'indique, est ellipsoïdale. Il ne tourne pas dans son ensemble et n'a donc pas de symétrie axiale. Ses étoiles, qui ont pour la plupart une masse relativement faible et un âge considérable, tournent autour du centre galactique dans différents plans et parfois pas individuellement, mais en chaînes très allongées.

Les nouveaux luminaires des galaxies elliptiques s'allument rarement en raison d'une pénurie de matières premières - l'hydrogène moléculaire.

Comme les humains, les galaxies sont regroupées. Notre Groupe Local comprend les deux plus grandes galaxies à proximité d'environ 3 mégaparsecs - la Voie Lactée et Andromède (M31), la galaxie du Triangle, ainsi que leurs satellites - les Grands et Petits Nuages de Magellan, les galaxies naines de Canis Major, Pégase, Carina, Sextant, Phoenix et bien d'autres - une cinquantaine au total. Le groupe local, à son tour, est membre du superamas local de la Vierge.

Les galaxies les plus grandes et les plus petites sont de type elliptique. La part totale de ses représentants dans la population galactique de l'Univers n'est que d'environ 20 %. Ces galaxies (à l'exception peut-être des plus petites et des plus faibles) cachent également des trous noirs supermassifs dans leurs zones centrales. Les galaxies elliptiques ont également des halos, mais pas aussi clairs que ceux en forme de disque.

Toutes les autres galaxies sont considérées comme irrégulières. Ils contiennent beaucoup de poussière et de gaz et produisent activement de jeunes étoiles. Il y a peu de telles galaxies à des distances modérées de la Voie lactée, seulement 3%.

Cependant, parmi les objets à grand décalage vers le rouge, dont la lumière a été émise au plus tard 3 milliards d'années après le Big Bang, leur part augmente fortement. Apparemment, tous les systèmes stellaires de la première génération étaient petits et avaient des contours irréguliers, et de grandes galaxies en forme de disque et elliptiques sont apparues beaucoup plus tard.

Naissance des galaxies

Les galaxies sont nées peu après les étoiles. On pense que les premiers luminaires ont éclaté au plus tard 150 millions d'années après le Big Bang. En janvier 2011, une équipe d'astronomes traitant les informations du télescope spatial Hubble a signalé l'observation probable d'une galaxie dont la lumière est allée dans l'espace 480 millions d'années après le Big Bang.

En avril, une autre équipe de recherche a découvert une galaxie qui, selon toute vraisemblance, était déjà complètement formée lorsque le jeune univers avait environ 200 millions d'années.

Les conditions de la naissance des étoiles et des galaxies sont apparues bien avant qu'elle ne commence. Lorsque l'univers a dépassé le cap des 400 000 ans, le plasma dans l'espace a été remplacé par un mélange d'hélium neutre et d'hydrogène. Ce gaz était encore trop chaud pour fusionner dans les nuages moléculaires qui donnent naissance aux étoiles.

Cependant, il était adjacent à des particules de matière noire, initialement réparties de manière inégale dans l'espace - où elle est un peu plus dense, où elle est plus raréfiée. Ils n'interagissaient pas avec le gaz baryonique et donc, sous l'action de l'attraction mutuelle, se sont effondrés librement en zones de densité accrue.

Selon les calculs des modèles, cent millions d'années après le Big Bang, des nuages de matière noire de la taille du système solaire actuel se sont formés dans l'espace. Ils se sont combinés en de plus grandes structures, malgré l'expansion de l'espace. C'est ainsi que sont apparus les amas de nuages de matière noire, puis les amas de ces amas. Ils ont aspiré du gaz spatial, lui permettant de s'épaissir et de s'effondrer.

De cette façon, les premières étoiles supermassives sont apparues, qui ont rapidement explosé en supernovae et laissé des trous noirs. Ces explosions ont enrichi l'espace d'éléments plus lourds que l'hélium, qui ont permis de refroidir les nuages de gaz qui s'effondraient et ont donc rendu possible l'apparition d'étoiles de deuxième génération moins massives.

De telles étoiles pourraient déjà exister depuis des milliards d'années et ont donc pu former (encore une fois avec l'aide de la matière noire) des systèmes liés gravitationnellement. C'est ainsi que sont nées les galaxies à longue durée de vie, y compris la nôtre.

« De nombreux détails de la galactogenèse sont encore cachés dans le brouillard », explique John Kormendy. - Cela s'applique en particulier au rôle des trous noirs. Leurs masses vont de dizaines de milliers de masses solaires au record absolu actuel de 6,6 milliards de masses solaires, appartenant à un trou noir du noyau de la galaxie elliptique M87, situé à 53,5 millions d'années-lumière du Soleil.

Les trous au centre des galaxies elliptiques sont généralement entourés de renflements constitués de vieilles étoiles. Les galaxies spirales peuvent n'avoir aucun renflement ou avoir leurs similitudes plates, des pseudo-renflements. La masse d'un trou noir est généralement inférieure de trois ordres de grandeur à la masse du renflement - naturellement, s'il est présent. Ce schéma est confirmé par des observations couvrant des trous d'une masse allant d'un million à un milliard de masses solaires. »

Selon le professeur Kormendy, les trous noirs galactiques gagnent en masse de deux manières. Le trou, entouré d'un renflement à part entière, se développe en raison de l'absorption de gaz qui parvient au renflement de la zone externe de la galaxie. Lors de la fusion des galaxies, l'intensité de l'afflux de ce gaz augmente fortement, ce qui initie des explosions de quasars.

En conséquence, les renflements et les trous évoluent en parallèle, ce qui explique la corrélation entre leurs masses (cependant, d'autres mécanismes encore inconnus peuvent également fonctionner).

Des chercheurs de l'Université de Pittsburgh, de l'UC Irvine et de l'Université de l'Atlantique de Floride ont modélisé la collision de la Voie lactée et du prédécesseur de la galaxie elliptique naine du Sagittaire (SagDEG) en Sagittaire.

Ils ont analysé deux options pour les collisions - avec un facile (3x10¹⁰masses solaires) et lourde (10¹¹ masses solaires) SagDEG. La figure montre les résultats de 2,7 milliards d'années d'évolution de la Voie lactée sans interaction avec une galaxie naine et avec interaction avec la variante légère et lourde de SagDEG.

Les galaxies sans chauve et les galaxies avec des pseudo-bulbes sont une autre affaire. Les masses de leurs trous ne dépassent généralement pas 104-106 masses solaires. Selon le professeur Kormendy, ils sont alimentés en gaz en raison de processus aléatoires qui se produisent près du trou et ne s'étendent pas à toute la galaxie. Un tel trou grandit quelle que soit l'évolution de la galaxie ou de son pseudo-renflement, ce qui explique le manque de corrélation entre leurs masses.

Galaxies en croissance

Les galaxies peuvent augmenter à la fois en taille et en masse. "Dans un passé lointain, les galaxies le faisaient beaucoup plus efficacement que dans les ères cosmologiques récentes", explique Garth Illingworth, professeur d'astronomie et d'astrophysique à l'Université de Californie à Santa Cruz. - Le taux de naissance de nouvelles étoiles est estimé en termes de production annuelle d'une unité de masse de matière stellaire (à ce titre, la masse du Soleil) par unité de volume d'espace extra-atmosphérique (généralement un mégaparsec cube).

Au moment de la formation des premières galaxies, ce chiffre était très petit, puis a commencé à croître rapidement, ce qui a continué jusqu'à ce que l'Univers ait 2 milliards d'années. Pendant encore 3 milliards d'années, il a été relativement constant, puis a commencé à décliner presque proportionnellement au temps, et ce déclin se poursuit à ce jour. Ainsi, il y a 7 à 8 milliards d'années, le taux moyen de formation d'étoiles était 10 à 20 fois supérieur à celui actuel. La plupart des galaxies observables étaient déjà complètement formées à cette époque lointaine. »

La figure montre les résultats de l'évolution à différents moments - la configuration initiale (a), après 0, 9 (b), 1, 8 © et 2, 65 milliards d'années (d). Selon les calculs du modèle, la barre et les bras spiraux de la Voie lactée pourraient s'être formés à la suite de collisions avec SagDEG, qui a initialement attiré 50 à 100 milliards de masses solaires.

A deux reprises, il a traversé le disque de notre Galaxie et a perdu une partie de sa matière (à la fois ordinaire et sombre), provoquant des perturbations de sa structure. La masse actuelle de SagDEG ne dépasse pas des dizaines de millions de masses solaires, et la prochaine collision, attendue au plus tard 100 millions d'années plus tard, sera très probablement la dernière pour elle.

D'une manière générale, cette tendance est compréhensible. Les galaxies se développent de deux manières principales. Premièrement, ils obtiennent de la matière fraîche en étoile en aspirant des particules de gaz et de poussière de l'espace environnant. Pendant plusieurs milliards d'années après le Big Bang, ce mécanisme a fonctionné correctement simplement parce qu'il y avait suffisamment de matière première stellaire dans l'espace pour tout le monde.

Puis, lorsque les réserves ont été épuisées, le taux de naissance des étoiles a chuté. Cependant, les galaxies ont trouvé la capacité de l'augmenter par des collisions et des fusions. Certes, pour que cette option soit réalisée, les galaxies en collision doivent disposer d'un approvisionnement décent en hydrogène interstellaire. Pour les grandes galaxies elliptiques, où elle a pratiquement disparu, la fusion n'aide pas, mais dans les galaxies discoïdes et irrégulières, cela fonctionne.

Cours de collision

Voyons ce qui se passe lorsque deux galaxies de type disque à peu près identiques fusionnent. Leurs étoiles n'entrent presque jamais en collision - les distances entre elles sont trop grandes. Cependant, le disque gazeux de chaque galaxie subit des forces de marée dues à la gravité de sa voisine. La matière baryonique du disque perd une partie du moment angulaire et se déplace vers le centre de la galaxie, où se présentent les conditions d'une croissance explosive du taux de formation d'étoiles.

Une partie de cette substance est absorbée par les trous noirs, qui gagnent également en masse. Dans la phase finale de l'unification des galaxies, les trous noirs fusionnent et les disques stellaires des deux galaxies perdent leur ancienne structure et se dispersent dans l'espace. En conséquence, une elliptique est formée à partir d'une paire de galaxies spirales. Mais ce n'est en aucun cas l'image complète. Le rayonnement des jeunes étoiles brillantes peut souffler une partie de l'hydrogène hors de la galaxie nouveau-née.

Dans le même temps, l'accrétion active de gaz sur le trou noir oblige ce dernier de temps en temps à projeter des jets d'énormes particules d'énergie dans l'espace, chauffant le gaz dans toute la galaxie et empêchant ainsi la formation de nouvelles étoiles. La galaxie se calme progressivement - probablement pour toujours.

Des galaxies de tailles différentes entrent en collision différemment. Une grande galaxie est capable d'avaler une galaxie naine (en une fois ou en plusieurs étapes) et en même temps de conserver sa propre structure. Ce cannibalisme galactique peut également stimuler la formation d'étoiles.

La galaxie naine est complètement détruite, laissant derrière elle des chaînes d'étoiles et des jets de gaz cosmique, qui sont observés à la fois dans notre Galaxie et dans Andromède voisine. Si l'une des galaxies en collision n'est pas trop supérieure à l'autre, des effets encore plus intéressants sont possibles.

En attendant le super télescope

L'astronomie galactique a survécu près d'un siècle. Elle est partie pratiquement de zéro et a accompli beaucoup de choses. Cependant, le nombre de problèmes non résolus est très important. Les scientifiques attendent beaucoup du télescope infrarouge en orbite James Webb, dont le lancement était prévu en 2021.