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Galaxies spirales : leurs bras influencés par des champs magnétiques ?

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La galaxie spirale IC 342 est très proche de la Voie lactée. À tel point que, si sa lumière visible n'était pas fortement absorbée par les poussières de notre Galaxie, elle occuperait sur la voûte céleste une surface égale à celle de la Lune. Étudiés à l'aide de radiotélescopes, ses bras spiraux apparaissent étroitement corrélés à des champs magnétiques. Cela suggère qu'ils pourraient jouer un rôle important dans l'évolution et la structure des galaxies spirales.

Le radiotélescope d'Effelsberg, en Allemagne, a pris cette image de la galaxie spirale IC 342. En analysant la polarisation des ondes radio, les chercheurs ont pu en déduire l'orientation et la localisation des lignes de champs magnétiques dans le milieu interstellaire. Cette orientation est indiquée par des barres sur l'image. © R. Beck, MPIfR

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 atomes 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'équation de Vlasov plutôt que celle de Boltzmann, comme le rappelle André Brahic dans ses leçons d'astronomie.

Ce qui intrigue les astrophysiciens depuis des décennies c'est bien sûr la structure de ces galaxies, constituées de bras spiraux. Dans les années 1960, C. C. Lin 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 vagues 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 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 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 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-Planck Institute for Radio Astronomy (MPIfR) de Bonn (Allemagne). Comme le montre l'article que l'astrophysicien a déposé sur arXiv, son travail porte sur IC 342, une galaxie spirale barrée vue de face située à environ 7 millions d'années-lumière de la Terre dans la constellation de la Girafe. Il s'est servi pour cela du radiotélescope 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 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'Andromède et le second par la galaxie 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 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 matière.

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