Sciences

La forme des galaxies

Dossier - Lorsque l'Univers formait des étoiles
DossierClassé sous :Astronomie , Univers , étoile

-

Lorsque nous observons les astres, nous avons l’impression que tout bouge. Mais nous savons bien, depuis Copernic, que ce mouvement est essentiellement dû à la rotation de la Terre sur son axe qui produit un mouvement apparent du Soleil, de la Lune et des étoiles dans le ciel. Un deuxième mouvement, à l’échelle de l’année, est dû à la rotation de la Terre autour de notre étoile le Soleil.

  
DossiersLorsque l'Univers formait des étoiles
 

L'évolution de la densité d'étoiles dans l'univers peut également s'observer dans l'évolution de la forme des galaxies avec le redshift.

Galaxie spirale. © WikiImages CCO

En effet, les galaxies que l'on observe dans notre univers local ressemble généralement à de belles galaxies spirales la galaxie d'Andromède ou comme Messier 51, la galaxie des chiens de chasse (Figure 8).

Figure 8 : la galaxie des chiens de chasse, Messier 51, montre dans ses bras spiraux des zones de couleurs différentes. Les zones plus rouges sont celles où se forment de jeunes étoiles. Une galaxie, plus petite, est en interaction (en haut).(c) CFHT

Dans l'univers local, environ 60% à 70% des galaxies présente une forme spirale. Les galaxies elliptiques représentent environ 20% des galaxies. Le reste sont des galaxies de formes irrégulières qui ne représente que quelques pourcents de l'ensemble des galaxies. Tout ceci est connu depuis les observations de Edwin Hubble dans les années 20.

Dans les amas de galaxies, un autre type de galaxies est fréquent, il s'agit des galaxies elliptiques comme ESO 325-G004 (Figure 9). Dans les amas, on pense que ces galaxies elliptiques se forment à la suite de collisions et d'interactions entre galaxies spirales.

Figure 9 : ESO 325-G004 est une galaxie elliptique. Elle se trouve au cœur d’un amas de galaxies. On pense que les galaxies elliptiques normales se forment par la fusion de deux galaxies spirales. Des galaxies comme celles-ci seraient, elles, le résultat de la fusion de plusieurs galaxies de l’amas. © NASA, ESA et Hubble Heritage.

Par contre, ce que l'on ne savait pas, c'est que ces pourcentages changent avec le redshift. Plus on observe un univers lointain (et donc jeune), plus le nombre de galaxies irrégulières croît pour atteindre environ 12% vers z =1. Les galaxies spirales elles-mêmes étaient beaucoup moins régulières il y a 5 à 7 milliards d'années comme cela est visible dans la Figure 10. Les zones de formation stellaires ne sont pas réparties dans les bras des galaxies.

Figure 10 : Des galaxies spirales photographiées par le télescope spatial Hubble se trouvent entre 5 et 7 milliards d’années-lumière de nous. Elles sont beaucoup moins régulières que les galaxies spirales de l’univers local.

Il faut noter que l'étude des morphologies des galaxies n'est pas aussi simple qu'on pourrait le penser. Il ne suffit pas d'observer une galaxie pour la classer en spirale, elliptique ou irrégulière. Au problème évoqué ci-dessus, il faut ajouter celui de la longueur d'onde d'observation (de la couleur). Les étoiles dans les galaxies ont des températures de surface différentes selon leur masse selon leur âge principalement. Une étoile jeune et massive est très chaude et elle va émettre une grande quantité de photons ultraviolets alors qu'une petite étoile vieille va surtout émettre des photons infrarougesOr, nous savons que les étoiles se forment en groupe : on observe des zones de formation stellaires comme dans la Figure 10 qui sont très lumineuses en ultraviolet. Mais si l'on observe la même galaxie dans l'infrarouge, on verra surtout les populations d'étoiles froides et vieilles qui ont eu le temps de se répartir sur des régions plus étendues. Une même galaxie observée en ultraviolet apparaîtra donc plus grumeleuse (« clumpy » en anglais) que la même galaxie observée en infrarouge si plusieurs populations stellaires sont présentes dans la galaxie, comme dans le cas des galaxies spirales qui contient des étoiles jeunes dans les bras spiraux et des étoiles vieilles dans leur centre. Par contre, s'il n'y a qu'une seule population d'étoiles : jeunes dans le cas des galaxies en train de se former ou vieilles dans le cas des galaxies elliptiques, la forme change très peu (Figure 11).

Pour ne pas vous laisser sur une impression de facilité ... il faut mentionner qu'à cet effet dû à la distribution des populations d'étoiles vient s'ajouter le rôle joué par les grains de poussière (voir Section 4) et celui du redshift qui fait apparaître les galaxies plus distantes plus rouges.

Figure 11 : Cette figure montre l’évolution de la forme de la galaxie NGC 1512 de l’ultraviolet (en bas et à gauche) à l’infrarouge (en bas et à droite). Seules les étoiles jeunes et massives sont visibles en ultraviolet, ce qui produit une forme très irrégulière. Dans le visible, les étoiles de masse intermédiaire du disque et du bulbe laisse apparaître la classique forme spirale. Dans l’infrarouge, les étoiles rouges du bulbe sont prédominantes.