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Les galaxies spirales constituent presque les deux tiers des galaxies dans l'univers actuel. Elles ont évolué durant des milliards d'années et, comme toutes leurs cousines, elles sont considérées comme un gaz autogravitant d'étoiles. Toutefois,il ne s'agit pas exactement d'un gaz. En effet, les forces entre étoiles sont de longue portée et décroissent lentement avec la distance, ce qui n'est pas le cas dans un vrai gaz. De plus, dans celui-ci, l'effet des collisions entre les molécules et les atomesatomes est en général important. En fait, le fluide d'étoiles des galaxies se comporte plutôt comme un plasma, tel celui qui devrait être produit dans Iter. En termes techniques, sa description fait appel à l'équationéquation de Vlasov plutôt que celle de Boltzmann, comme le rappelle André Brahic dans ses leçons d'astronomie.
Ce qui intrigue les astrophysiciensastrophysiciens depuis des décennies c'est bien sûr la structure de ces galaxies, constituées de bras spiraux. Dans les années 1960, C. C. LinLin et Frank Shu ont montré de façon convaincante que ces bras provenaient de la formation d'ondes de densité dans le fluide d'étoiles. Il s'agit donc en quelque sorte d'ondes stationnaires -- qui font penser à des vaguesvagues à la surface de l'eau -- concentrant localement des étoiles. Le milieu interstellaire y est aussi affecté et la formation des étoiles y est favorisée en raison de l'augmentation de la densité du gaz.
Avec son diamètre de 100 m, le radiotélescope d'Effelsberg, ici phototgraphié de nuit en Allemagne, est l’un des grands télescopes orientables du monde. © Paul Jansen
Des interactions magnéto-gravitationnelles dans les bras spiraux ?
Toutefois, au moins depuis le début des années 1990, on avait remarqué que les lignes de champs magnétiques dans les galaxies spirales coïncidaient avec les bras spiraux, par exemple dans le cas de M51, surnommée la galaxie du Tourbillongalaxie du Tourbillon (Whirlpool Galaxy en anglais). Comme l'explique l'astrophysicienne Agnès Acker dans son célèbre ouvrage d'introduction à l’astronomie (réédité plusieurs fois), cela suggère que des interactions magnéto-gravitationnelles se produisent entre les champs magnétiqueschamps magnétiques galactiques et les ondes de densité.
Ces interactions pourraient donc jouer un rôle important dans l'évolution des galaxies. Elles pourraient permettre de mieux comprendre la formation de leur structure spirale et même la façon dont le gaz interstellaire serait canalisé en direction de leur trou noir supermassiftrou noir supermassif central. Les chercheurs souhaitent donc étudier davantage ces champs magnétiques. Un bon exemple de ce genre d'étude vient d'être donné par Rainer Beck, du Max-PlanckPlanck Institute for Radio Astronomy (MPIfR) de Bonn (Allemagne). Comme le montre l'article que l'astrophysicien a déposé sur arXiv, son travail porteporte sur IC 342, une galaxie spirale barréegalaxie spirale barrée vue de face située à environ 7 millions d'années-lumièreannées-lumière de la Terre dans la constellationconstellation de la GirafeGirafe. Il s'est servi pour cela du radiotélescoperadiotélescope de Effelsberg, en Allemagne, dont les observations ont été combinées avec celles du Very Large Array (VLA).
Une combinaison d'images prises dans le domaine radio et dans le domaine visible de la galaxie IC 342, en utilisant des données provenant à la fois du VLA et du radiotélescope d'Effelsberg. Les lignes indiquent l'orientation des champs magnétiques dans la galaxie. © Beck, MPIfR; NRAO, AUI, NSF; graphique : U. Klein, AIfA; image de fond : T. A. Rector, University of Alaska Anchorage et H. Schweiker, WIYN; NOAO, AURA, NSF
Des champs magnétiques révélés par l'effet Faraday
Les astrophysiciens utilisent souvent l'effet Faraday pour mesurer des champs magnétiques. Il s'agit d'une modification de la polarisation d'une onde électromagnétiqueonde électromagnétique passant dans une région où se trouvent ces champs. Il est bien sûr possible de mettre en pratique cet effet avec des ondes radio, en l'occurrence celles émises par les galaxies. L'orientation de la polarisation de ces ondes est perpendiculaire à celles des champs magnétiques, ce qui permet d'établir une cartographie. IC 342 est un objet intéressant à étudier, non seulement parce qu'on peut le voir de face, mais aussi parce qu'il occupe le troisième rang en ce qui concerne les galaxies spirales les plus proches de nous. Le premier est occupé par la galaxie d'Andromèdegalaxie d'Andromède et le second par la galaxie du Trianglegalaxie du Triangle.
La cartographie obtenue dans le cas d'IC 342 est particulièrement bonne et montre des détails jamais observés auparavant dans une galaxie spirale. Pour Rainer Beck, « cette nouvelle image d'IC 342 indique que les champs magnétiques jouent également un rôle important dans la formation des bras spiraux, qui peuvent difficilement s'être formés par des forces gravitationnellesforces gravitationnelles seules ». Ces champs affecteraient en outre des flux de gaz le long des bras spiraux. En effet, la région centrale de la galaxie, où se trouve sans doute aussi un trou noir supermassif, contient une zone de formation d'étoiles plutôt actives. Le taux de production de nouvelles étoiles y est si élevé qu'il faut supposer un apport de gaz frais constant en provenance des parties externes de la galaxie. Or, les lignes de champs magnétiques convergent vers cette région, ce qui laisse supposer qu'elles accompagnent et soutiennent cet apport de matièrematière.
