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Formes et dimensions de la Voie lactée

Dossier - Voie lactée : les mystères d'une galaxie spirale
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La Voie lactée, magnifique chemin d’étoiles dans le ciel nocturne, conserve encore bien des secrets. Matière et énergie noires, trou noir supermassif sont autant de sujets fascinants permettant de mieux comprendre notre galaxie.

  
DossiersVoie lactée : les mystères d'une galaxie spirale
 

Notre système solaire fait partie d'une galaxie spirale tout à fait typique, comme il en existe des milliards dans l'univers observable. Comme nous nous trouvons à l'intérieur, nous ne pouvons malheureusement pas en avoir une vue synoptique claire, mais devons reconstruire sa structure possible, à partir d'un grand nombre d'observations, en particulier concernant la vitesse de la matière en rotation autour du centre.

L'observation des galaxies extérieures nous aide beaucoup pour comprendre la nôtre. Il est ainsi possible de comparer la Voie lactée à Messier 83, dont l'image est reproduite ci-dessous.

La galaxie Messier 83, photographiée ici, est très semblable à la Voie lactée. © Nasa, ESA and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA) Acknowledgement : William Blair (Johns Hopkins University) CCO

Une galaxie comme la Voie lactée se compose de plusieurs systèmes aux géométrie, cinématique, âge et populations stellaires différents, qui permettent de remonter à sa formation. Un exemple schématique est représenté dans la figure ci-après ; de l'intérieur vers l'extérieur :

  • un bulbe peu massif à géométrie sphéroïdale au centre ;
  • un disque mince dont la masse stellaire domine ;
  • un disque épais ;
  • un halo stellaire sphéroïdal très étendu.

Dans la Voie lactée, le disque mince serait deux fois plus petit en rayon que le disque épais, mais presque aussi massif, selon les dernières estimations. En revanche, le bulbe serait presque négligeable en masse.

Schéma des divers composants stellaires d’une galaxie spirale typique. © Françoise Combes

La Voie lactée, une galaxie spirale barrée

Il existe une barre stellaire dans notre galaxie (comme dans M83, voir photo plus haut), ce qui n'est pas exceptionnel, puisque deux tiers des galaxies spirales sont barrées. Les étoiles qui entrent en résonance avec la barre peuvent être élevées perpendiculairement au plan, et former des pseudo-bulbes en forme de boîte ou de cacahuète.

Une image obtenue en infrarouge proche, qui permet de percer l'obscuration de la poussière, et ainsi voir jusqu'au centre de notre galaxie (cf. ci-après), révèle la barre et son pseudo-bulbe. On peut voir, par l'effet de perspective, que le côté de la barre qui vient vers nous est plus épais que le côté symétrique qui s'éloigne.

Image de la Voie lactée obtenue dans le proche infrarouge par le projet 2MASS. © www.ipac.caltech.edu

Le disque épais, qui possède les plus anciennes populations d'étoiles, s'est formé très rapidement au début de la genèse de la Galaxie, il y a 9 à 12 milliards d'années. La fraction de gaz est alors bien plus élevée qu'aujourd'hui (de l'ordre de 30 à 50 %) ; ce gaz est instable gravitationnellement, ce qui le rend très turbulent, et les étoiles se forment très violemment. Les galaxies continuent à recevoir du gaz à partir des filaments de matière qui les relient à la toile cosmique. Ce flux de gaz renouvelle le milieu interstellaire de la galaxie, qui s'est consumé en étoiles. La fraction de gaz se maintient alors à un niveau très faible, entre 5 et 10 % comme actuellement. Le composant gazeux est bien plus stable, et reste confiné dans un disque mince.

Le halo stellaire de la Voie lactée

Le halo stellaire est essentiellement formé de petites galaxies compagnes, qui sont avalées par la Voie lactée. Grâce à de gros programmes d'observation des couleurs et magnitude de millions d'étoiles dans notre galaxie, il est possible d'identifier des courants stellaires, dont les propriétés physiques se distinguent de l'ensemble.

Ainsi, plusieurs courants ont été observés, en liaison avec des interactions de marée, entre la Voie lactée et de petites galaxies satellites. La naine du Sagittaire a été l'une des premières découvertes, puis celle du Grand Chien, l'anneau de la Licorne, etc.

Résultats de la simulation des fusions entre petites galaxies satellites et galaxie principale centrale. La palette d’intensité bleue montre la densité d’étoiles dans le halo de la galaxie centrale. © D’après Bullock & Johnston, The Astrophysical Journal, 2005

Ces courants sont si nombreux que l'ensemble du halo stellaire aurait pu être formé uniquement des débris de petites galaxies avalées par la nôtre. La simulation figurée plus haut montre deux résultats finaux après l'interaction avec de petits satellites : les courants de marée forment des boucles et des filaments stellaires caractéristiques, tels des volutes et des panaches.