Structure et composants de la galaxie spirale

Comment font les galaxies spirales pour garder leurs bras bien ouverts ? Les astronomes se sont longtemps posé cette question. Les galaxies spirales sont pourtant très nombreuses : deux sur trois, les autres étant soit des galaxies elliptiques, de forme sphéroïdale, soit des naines irrégulières.

NGC 1300, une galaxie spirale barrée. © Nasa, ESA, and The Hubble Heritage Team STScI/AURA), DP 

Les galaxies spirales sont aplaties en un disque mince, qui tourne autour de son axe central. Le problème est qu'elles ne tournent pas comme un disque solide : le centre tourne plus vite que le bord. La matière met 20 millions d'années pour faire un tour à une distance de 3.000 années-lumière du centre, là où démarre la spirale, alors qu'il faut un milliard d'années pour un tour à l'extrême bord, à 150.000 années-lumière. Pendant une révolution au bord, les étoiles du centre auront fait 50 tours.

Imaginons des bras spiraux dessinés sur un disque : si le centre tourne plus vite, la structure spirale va s'enrouler, et les bras se fermer très vite. Pourtant, dans les exemples de structures spirales visibles sur les images ci-après, les bras sont très ouverts.

Exemples de galaxies spirales photographiées en lumière infrarouge par le VLT (Very Large Telescope) de l’ESO (European Southern Observatory), au Chili : de gauche à droite, NGC 5427, NGC 4321 et NGC 1300. © ESO 

Les bras spiraux, des ondes de densité

La solution de ce problème a été proposée en 1964 par Lin et Shu : les bras spiraux sont des ondes de densité, ce ne sont pas des bras matériels. Les étoiles et le gaz interstellaire rentrent et sortent des bras spiraux, pendant leur rotation autour du centre. Les ondes de densité spirales, de même que l'onde barrée, tournent à une vitesse plus faible, à vitesse angulaire constante comme un corps solide. Aussi, la spirale barrée qu'elles dessinent dans le ciel ne se déforme-t-elle pas.

Le gaz interstellaire, à chaque fois qu'il rentre dans l'onde spirale, subit une onde de choc, qui le comprime et le déstabilise : des nuages denses se multiplient et forment des étoiles. C'est pourquoi la plupart des étoiles jeunes et brillantes naissent dans les bras spiraux, qui sont plus bleus, et le siège d'un grand nombre de nébuleuses ionisées. Les étoiles jeunes et massives consument leur gaz en réactions nucléaires beaucoup plus rapidement que les étoiles moins lourdes. Elles sont déjà mortes une fois le bras spiral traversé, après 10 à 20 millions d'années, et n'illuminent donc pas l'interbras. Les étoiles à plus grande durée de vie, comme le Soleil (huit milliards d'années), sont peu brillantes, d'où l'interbras relativement sombre.

Les galaxies spirales ne sont jamais en équilibre, la matière dans le disque progresse en spirale vers le centre, perdant du moment angulaire, à cause précisément des couples de torsion de la spirale et de la barre. La concentration de masse vers le centre produit un bulbe de plus en plus massif, selon la séquence de Hubble représentée dans l'image ci-après.

Représentation de la séquence de Hubble, ou « diapason de Hubble ». À gauche, les galaxies elliptiques plus ou moins aplaties, de E0 (sphère) à E7 (aplatissement maximum) [le chiffre est égal à 10 x (a - b)/a, où a et b sont les axes principaux]. À droite, les galaxies spirales sont divisées en deux branches, barrées (en bas) ou non, et le rapport bulbe/disque diminue de gauche à droite. Au centre, les galaxies lenticulaires S0, qui possèdent un disque, un bulbe massif, mais pas de gaz, et peu de spirales. © Françoise Combes 

On pense que les galaxies ont une forme spirale au début de leur vie, car la fraction de gaz est très grande. Puis, les fusions de galaxies leur font perdre progressivement la rotation pour devenir elliptiques.

Images en couleurs composites obtenues avec le télescope spatial Hubble de quatre galaxies à grumeaux formant des étoiles, à une époque de trois milliards d’années suivant le Big Bang. © G. Barro, Nasa, ESA 

Les galaxies ont-elles toujours été spirales ?

Les galaxies ont-elles toujours été spirales ? Lorsqu'on observe les galaxies lointaines, plus jeunes qu'aujourd'hui puisqu'on remonte dans le temps, on en remarque de très nombreuses qui sont irrégulières, formant des grumeaux. Le taux d'interactions entre galaxies est plus grand aussi, ce qui les rend plus perturbées, mais pas seulement.

Même les galaxies isolées sont plus irrégulières. Cela est probablement dû à la plus grande fraction de gaz. Si une galaxie spirale typique contient aujourd'hui 5 à 10 % de gaz, les galaxies autour de la moitié de l'âge de l'univers en contenaient encore 50 % ! Celles-ci ont été rendues instables par rapport à la fragmentation gravitationnelle, ce qui explique la présence de grumeaux. Ces poches de gaz instable forment activement des étoiles, comme le montrent les images affichées plus haut.