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Comment des galaxies comme la nôtre sont-elles apparues?

Comment des galaxies comme la nôtre sont-elles apparues?

Par une nuit claire, lorsque les conditions sont parfaites et qu'il n'y a pas beaucoup de lumière pour obscurcir la vue, le ciel étoilé est à couper le souffle. Si vous vivez dans une région rurale ou si vous faites simplement une pause dans la ville, vous pourrez voir un ciel dodu plein d'étoiles.

Vous pourriez même voir une bande de lumière traverser le ciel, une bande qui semble brumeuse (ou "laiteuse") dans la nature. Croyez-le ou non, c'est ainsi que notre galaxie tire son nom. Il y a des milliers d'années, les astronomes regardant le ciel nocturne ont remarqué cette même bande et ont vu la ressemblance avec la boisson.

Au fil du temps, notre compréhension de la Voie lactée s'est accrue. Non seulement avons-nous réalisé que la Voie lactée est en fait une énorme collection d'étoiles maintenues ensemble par la gravité, nous avons également appris qu'elle n'était que l'une des milliards (voire des billions) de l'Univers.

Finalement, les astronomes et les cosmologistes ont compris que l'Univers est incroyablement vaste, à la fois en termes de temps et d'espace. Et bien que nous ne sachions toujours pas jusqu'où s'étend l'Univers (ou s'il est dans l'infini), nous avons une assez bonne idée de la durée de son existence (environ 13,8 milliards d'années).

Pour cette raison, les astronomes ont consacré beaucoup de temps et d'énergie à regarder aussi loin qu'ils le pouvaient - à travers l'espace et le temps - afin de voir les premières galaxies. En faisant cela, ils espèrent apprendre comment des galaxies comme la nôtre se sont formées et ont évolué au cours de milliards d'années.

Que sont les galaxies?

En termes simples, les galaxies sont constituées de groupements massifs d'étoiles, de gaz et de poussières liés par gravitation. Cependant, tout cela n'est que la partie des galaxies que nous pouvons détecter, car elle émet, absorbe ou rayonne de la lumière.

Au-delà de cela, les astronomes ont théorisé pendant des décennies que les galaxies contiennent également beaucoup de matière noire, qui est ainsi nommée parce qu'elle est invisible en ce qui concerne la détection conventionnelle.

L'étude des galaxies a conduit l'astronome à les regrouper en fonction de leur structure globale. Alors que certaines galaxies se conforment à une forme de base, avec un "renflement" central et des "bras" s'étendant du centre en tourbillons, les astronomes ont noté différents types de variations.

De là, les astronomes en sont venus à classer les galaxies en fonction de trois catégories principales. Ce schéma de classification est connu sous le nom de séquence Hubble, du nom du célèbre astronome américain Edwin Hubble.

Le schéma de Hubble a divisé les galaxies régulières en trois grandes classes - galaxies elliptiques, lenticulaires et spirales - en fonction de leur apparence visuelle. Une quatrième classe contient des galaxies d'aspect irrégulier.

Premièrement, il y a galaxies spirales comme la Voie lactée, qui sont riches en gaz et en poussières et ont encore des étoiles se formant dans leurs bras. Puis il y a galaxies elliptiques, qui ont des distributions de lumière relativement lisses et sans traits. Ils sont relativement dépourvus de gaz et de poussière, ont un faible taux de formation d'étoiles et sont ainsi nommés parce qu'ils ont une structure plus circulaire.

Il y a aussi galaxies lenticulaires. Ceux-ci consistent en un renflement central brillant entouré d'une structure allongée en forme de disque. Contrairement aux galaxies spirales, les disques des galaxies lenticulaires n'ont pas de structure spirale visible et ne forment pas activement d'étoiles en grand nombre. Ils incluent Messier 84 et la galaxie de la roue de charrette.

Le système de classification de Hubble comprend également des galaxies irrégulières. Ce sont des galaxies qui ne rentrent pas dans la séquence de Hubble car elles n'ont pas de structure régulière. Les exemples incluent les nuages ​​de Magellan et le M82.

Les galaxies peuvent également être classées en fonction de leurs tailles, qui vont de quelques centaines de millions d'étoiles (dans le cas des galaxies naines) à une centaine de milliards d'étoiles (galaxies géantes), chacune en orbite autour du centre de sa galaxie.

Galaxies "bruyantes" et "silencieuses"

En dehors de ce schéma, les astronomes font également la différence entre les galaxies qui ont ce qu'on appelle un noyau galactique actif (AGN) et celles qui n'en ont pas. Un AGN est une région compacte au centre d'une galaxie qui a une luminosité beaucoup plus élevée que la normale. Une grande partie de l'énergie produite par les AGN n'est pas stellaire et de nombreux AGN sont de puissants émetteurs de rayons X, de radiations et d'ultraviolets, ainsi que de rayonnements optiques.

Une théorie est que le rayonnement non stellaire d'un AGN est le résultat de l'accrétion de matière par un trou noir supermassif (SMBH) au centre de sa galaxie hôte. Cela fait tomber la poussière, le gaz et même les étoiles environnants dans un disque d'accrétion autour du bord extérieur du trou noir (alias l'horizon des événements). Au fil du temps, cette matière est lentement introduite (accrétée) sur la face du trou noir.

La puissante gravité du trou noir entraîne l'accélération du matériau au point où il commence à émettre une énorme quantité d'énergie électromagnétique et de rayonnement. Cela apparaît dans les longueurs d'onde radio, micro-ondes, infrarouge, optique, ultraviolet, rayons X et gamma.

Les SMBH sont également connus pour leurs champs magnétiques rotatifs, qui interagissent avec leurs disques d'accrétion pour créer de puissants jets magnétiques. Le matériau de ces jets peut atteindre une fraction de la vitesse de la lumière (c'est-à-dire des vitesses relativistes), ce qui les rend capables d'atteindre des centaines de milliers d'années-lumière de distance.

Les AGN peuvent être divisés en deux catégories en fonction de leurs jets - noyaux «radio-silencieux» et «radio-fort». Les AGN radio-forts sont ceux qui ont des émissions radio produites par leur disque d'accrétion et leurs jets, tandis que les AGN radio-silencieux montrent des émissions négligeables liées aux jets.

La voie Lactée

Comme indiqué, la Voie lactée est une galaxie spirale avec un noyau galactique relativement inactif. Selon les dernières estimations, la Voie lactée mesurerait entre 150 000 et 200 000 années-lumière de diamètre et 1 000 années-lumière d'épaisseur.

On estime également qu'elle est peuplée de 100 à 400 milliards d'étoiles et de plus de 100 milliards de planètes. En son centre, mesurant environ 10 000 années-lumière de diamètre se trouve le renflement central.

Cela constitue la région centrale de notre Voie lactée et est également «barré» - ce qui signifie qu'il contient une structure centrale en forme de barre composée d'étoiles. La taille de cette barre fait l'objet de débats, avec des estimations allant de 3 000 à 16 000 années-lumière.

Le centre de la Voie Lactée contient une source radio intense connue sous le nom de Sagittaire A * (prononcé Sagittaire A-star). On pense que c'est un SMBH qui est plus de 4 millions de fois la masse de notre Soleil.

S'étendant du centre se trouvent plusieurs bras en spirale contenant des milliards d'étoiles et des gaz et poussières interstellaires. Le nombre exact et la configuration de ces bras font l'objet de débats et évoluent en fonction de nouvelles informations.

Des observations récentes ont révélé qu'il peut y avoir quatre bras en spirale principaux - le bras Scutum-Centaurus, le bras Carina-Sagittaire, la Norma et le bras externe, et le bras Far-3 kiloparsec et Persée. Cependant, on dit parfois qu'il n'y a que deux bras principaux, le Scotum-Centaurus et le Persée, le reste étant mineur.

Notre Soleil se trouve près d'un petit bras partiel appelé le bras d'Orion, ou Orion Spur (ou bras d'Orion-Cygnus).

L'existence de ces bras a été déterminée en observant des parties de la Voie lactée et d'autres galaxies - pas le résultat d'une observation directe.

C'est un fait intéressant à propos de l'observation de la galaxie: les astronomes sont en fait capables de déterminer la taille, la structure et la forme des galaxies qui sont à des millions (ou des milliards) d'années-lumière avec une plus grande confiance qu'elles ne le sont.

Si le cosmos pouvait être comparé à une ville, et le système solaire à notre propre arrière-cour, on aurait l'impression que notre propre quartier nous serait plus familier que ceux situés de l'autre côté de la ville. Cependant, il y a un bien pour cette raison et tout se résume à notre point de vue.

En termes simples, le système solaire est niché dans le disque de la Voie lactée, ce qui rend assez difficile de se faire une idée de ses vraies dimensions. Il est également difficile de voir ce qui se trouve de l'autre côté de la galaxie à cause des interférences lumineuses du renflement central.

Il a également récemment été théorisé que la Voie lactée est en fait déformée. Si vu de côté, les bras en spirale ressembleraient à un disque plié en forme de S.

À ce jour, aucune mission robotique n'a pu voir la Voie lactée d'un point de vue extérieur. C'est pourquoi toute image que vous voyez d'une galaxie dans son ensemble n'est pas la Voie lactée ou est une impression d'artiste.

Où est le système solaire?

Notre Soleil est situé dans le bras d'Orion de la Voie lactée, une région de l'espace située entre deux bras majeurs de notre galaxie. Il est situé à environ 27 000 années-lumière du centre de la galaxie et tourne autour d'elle avec le reste des étoiles dans le disque.

Le Soleil prend environ 240 millions d'années pour compléter une seule orbite au cours de ce que l'on appelle une année galactique (ou année cosmique). Selon ce calcul, le Soleil a terminé un peu plus de 19 orbites depuis sa formation il y a environ 4,6 milliards d'années.

Sur la base de ses spectres, notre Soleil est classé comme une naine jaune de type G, ce qui le rend quelque peu rare en termes de population stellaire de notre galaxie. Au total, environ dix pour cent des étoiles de la Voie lactée sont des naines jaunes, ce qui correspond à environ 20 à 40 milliards d'étoiles semblables au Soleil.

L'étude des galaxies

L'étude des galaxies remonte à plusieurs millénaires, même si les astronomes n'étaient pas entièrement conscients de ce qu'ils observaient jusqu'à l'ère moderne. Fondamentalement, ce n'est qu'au 17ème siècle que la vraie nature de notre galaxie a été comprise, et ce n'est qu'au 19ème siècle que les scientifiques ont compris que notre galaxie est l'une des nombreuses.

Le nom "Voie lactée", tel qu'appliqué à la bande centrale de lumière dans le ciel nocturne, est en fait très ancien. Dans la Rome antique, les astronomes l'appelaient "Voie Lactée" (lit. "Voie lactée" en latin) qui était une traduction du mot grec pour "cercle laiteux" ("galaxías kýklos ", γαλαξίας κύκλος).

Au fil du temps, les astronomes ont commencé à spéculer que la Voie lactée était en fait des étoiles concentrées dans une bande étroite. Par exemple, au 13ème siècle, l'astronome perse Nasir al-Din al-Tusi a fourni la description suivante dans son livre, Tadhkira:

«La Voie Lactée, c'est-à-dire la Galaxie, est composée d'un très grand nombre de petites étoiles étroitement regroupées, qui, en raison de leur concentration et de leur petitesse, semblent être des plaques nuageuses. Pour cette raison, il a été comparé à la couleur du lait.

En 1610, Galileo Galilee a publié son travail fondateur Sidereus Nuncius ("Le Messager étoilé" en latin), qui contenait ses descriptions de la Lune, du Soleil et de Jupiter. Il a également enregistré ses observations d'étoiles «nébuleuses» contenues dans le catalogue ptolémaïque.

Les observations de Galilée ont montré que ces objets étaient en fait d'innombrables étoiles si éloignées qu'elles semblaient groupées et ne pouvaient pas être observées à l'œil nu. Ou comme Galilée les décrivait, c'étaient des "congeries d'innombrables étoiles regroupées en amas".

Tout comme le plaidoyer de Galilée du modèle héliocentrique de l'Univers (où le Soleil est en orbite autour des planètes), cette révélation a en outre démontré que les étoiles sont en fait beaucoup plus éloignées de la Terre qu'on ne le pensait auparavant.

En 1775, le philosophe allemand Immanuel Kant a fait un pas de plus en proposant que la Voie lactée était une grande collection d'étoiles maintenues ensemble par une gravité mutuelle. Il a également émis l'hypothèse que la galaxie était disposée comme le système solaire, les étoiles tournant autour d'un centre commun et aplaties dans un disque.

En 1785, l'astronome William Herschel a tenté de cartographier la structure de la Voie lactée pour révéler sa vraie forme. Malheureusement, ses efforts ont été vains en raison de la façon dont de grandes portions sont obscurcies par le gaz et la poussière.

Un autre développement intéressant à cette époque est la publication du catalogue Messier (1771 à 1781). Ce travail a été produit par l'astronome hollandais Charles Messier, qui a commencé à conserver des enregistrements d'objets "nébuleux" qu'il avait pris à l'origine pour des comètes.

À l'époque, les télescopes n'étaient pas encore assez sophistiqués pour résoudre ces objets - dont la plupart étaient des amas stellaires ou des galaxies éloignées. Cependant, au 19ème siècle, des astronomes comme William Henry Smyth (également un amiral de la Royal Navy) ont pu résoudre des étoiles individuelles en eux.

Dans les années 1920, l'astronome américain Edwin Hubble a finalement fourni la preuve que les nébuleuses spirales observées dans le ciel étaient en fait d'autres galaxies. Cette découverte a également conduit les astronomes à conclure quelle est la véritable forme de la Voie lactée (c'est-à-dire une galaxie spirale barrée).

C'est également Hubble qui a démontré que la plupart des galaxies s'éloignent de la nôtre. Cela a conduit à la réalisation que l'Univers est en état d'expansion. La vitesse à laquelle elle se développe est connue sous le nom de constante de Hubble, en l'honneur de la découverte de Hubble.

Cette découverte modifierait considérablement notre perception de l'Univers et donnerait naissance à des théories comme le Big Bang et l'Énergie Noire. Avec le début de l'ère spatiale, notre connaissance de l'Univers et des galaxies s'est considérablement développée.

Les télescopes spatiaux, par exemple, sont capables d'observer des objets distants sans interférence atmosphérique. Les observatoires au sol se sont également considérablement améliorés grâce à l'amélioration des instruments, des méthodes et du partage des données.

Les premières galaxies

Selon les modèles cosmologiques les plus largement acceptés, les premières étoiles se sont formées lorsque l'Univers n'avait que 100 millions d'années (il y a environ 13,7 milliards d'années). Environ 1 milliard d'années après le Big Bag, ces étoiles et autres matières baryoniques ont commencé à se condenser avec des halos de matière noire pour former les premières galaxies.

Au cours des quelques milliards d'années qui ont suivi, les régions les plus denses de l'Univers sont devenues attirées par la gravitation l'une vers l'autre. Cela était connu comme l'époque de la structure lorsque la structure à grande échelle de l'Univers a commencé à se former.

C'est pendant cette période que des éléments comme les amas globulaires, les renflements galactiques, les SMBH et d'autres structures cosmiques se seraient formés. Les étoiles, la poussière et le gaz sont également tombés dans des structures en forme de disque autour des renflements centraux, et plus de matériel a été ajouté à partir de nuages ​​intergalactiques et de galaxies naines.

Beaucoup pensent que la formation de SMBH a joué un rôle clé dans la régulation de la croissance des galaxies en limitant la quantité de matière ajoutée. Ils ont également influencé le taux de formation d'étoiles, car les galaxies ont connu une explosion de formation d'étoiles avant leur apparition.

Lorsque les premières étoiles ont commencé à s'éteindre, il est théorisé qu'elles ont libéré des éléments plus lourds dans le milieu interstellaire. Pour cette raison, les générations suivantes d'étoiles étaient de plus en plus riches en métaux, ce qui fournit aux astronomes un outil essentiel pour produire des estimations d'âge.

Au fil du temps, on pense que cette augmentation de l'abondance d'éléments lourds dans les galaxies a permis la formation de planètes et de lunes, tandis que les restes de matière sont devenus des astéroïdes et des comètes qui se sont formés en ceintures autour de leurs étoiles.

Comment ont-ils évolué depuis?

Grâce à des enquêtes effectuées par des télescopes spatiaux comme Hubble et des observatoires au sol comme l'Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA), les astronomes ont pu voir à quoi ressemblaient les galaxies il y a des milliards d'années.

Ceci, combiné à des observations plus récentes, a donné aux astronomes une bonne idée de la façon dont les galaxies ont changé au fil du temps. Par exemple, les premières galaxies semblaient être de forme elliptique et plus petites. Au fil du temps, les fusions galactiques ont entraîné la croissance et la complexité des galaxies.

Peu à peu, on pense que l'infusion de matière a entraîné une accélération de leur rotation. Dans le cas de la Voie lactée, de nombreux astronomes en sont venus à penser que les fusions avec les galaxies naines étaient assez courantes - et c'est un processus qui est toujours en cours.

En fait, la galaxie la plus proche de la nôtre est la galaxie naine Canis Major, qui se trouve à une distance d'environ 25 000 années-lumière de notre système solaire et à 42 000 années-lumière du centre de la Voie lactée. Jusqu'à récemment, les astronomes ignoraient son existence, car elle était obscurcie par la poussière cosmique.

Cependant, en 2003, une équipe internationale d'astronomes l'a détecté dans le cadre de l'enquête infrarouge Two Micron All Sky Survey (2MASS). Certains astronomes pensent que la galaxie naine est en train d'être séparée par le champ gravitationnel de la galaxie plus massive de la Voie lactée. La perturbation des marées fait traîner un long filament d'étoiles en orbite autour de la Voie lactée, formant une structure complexe en forme d'anneau parfois appelée anneau de Monoceros, qui s'enroule autour de notre galaxie trois fois.

Pendant près de 9 milliards d'années après le Big Bang, on pense que la force d'attraction gravitationnelle mutuelle a prédominé et par conséquent, le cosmos s'est développé très lentement. En conséquence, les fusions galactiques ont pu être très courantes au cours des premiers milliards d'années après le Big Bang.

Cependant, l'expansion du cosmos a finalement abouti à des galaxies plus espacées; à ce stade, on émet l'hypothèse que l'influence de l'énergie noire a commencé à se faire sentir.

Beaucoup pensent que c'est ce qui a conduit à l'époque de l'accélération cosmique (il y a environ 5 milliards d'années), où le cosmos a commencé à se développer à un rythme accéléré. À ce stade, les fusions galactiques sont devenues beaucoup plus rares, mais le processus est toujours connu pour se produire ... et nous arrivera!

L'avenir de notre galaxie et du cosmos

Comme Hubble l'a observé, la grande majorité des galaxies voisines s'éloignent de la nôtre. Cependant, il y en a deux qui se dirigent vers nous: le voisin Andromède (alias Messier 31) et le Triangulum Galaxy (Messier 33).

Sur la base des estimations actuelles, les galaxies de la Voie lactée et d'Andromède se déplacent l'une vers l'autre à une vitesse d'environ 130 km / s. À ce rythme, ils se heurteront dans environ 4,5 milliards d'années.

Lorsque cela se produit, ils pourraient former une galaxie elliptique ou lenticulaire géante (surnommée «Milkomeda» ou «Milkdromeda»). Les perturbations des marées causées par la fusion pourraient entraîner l'expulsion de certaines étoiles et une fusion de SMBH.

On ne sait pas comment cela aura un impact sur le système solaire. Cependant, il est théorisé que notre Soleil aura épuisé son carburant hydrogène d'ici là et deviendra une géante rouge - ce qui le conduira à s'étendre et à engloutir la Terre, et peut-être tout le système solaire.

On suppose que ces types de fusions se raréfient à mesure que le cosmos continue de s'étendre et que les galaxies sont de plus en plus éloignées les unes des autres. Finalement, les galaxies de l'Univers deviendront plus sombres et plus rouges à mesure que les étoiles de plus courte durée commenceront à s'éteindre.

Celles-ci incluent tout, des géantes bleues et supergéantes (type O et type B) aux étoiles naines bleu-blanc (type A et type F), jaune et orange (type G et type K). Finalement, seules les étoiles naines rouges de type M - qui ont la plus longue durée de vie naturelle (jusqu'à 10 billions d'années) - resteront.

Finalement, les galaxies deviendront si éloignées que toute forme de vie intelligente de la Voie lactée ne pourra voir aucune autre galaxie. Il en va de même pour les résidents de toute autre galaxie, qui regardent le ciel nocturne et ne voient que de faibles étoiles rouges.

Avec le temps, les galaxies elles-mêmes mourront au fur et à mesure que les dernières étoiles se désintègreront et que l'Univers entier s'assombrira. Heureusement pour nous, cela ne devrait pas se produire avant des milliards d'années. À ce stade, l'humanité aura disparu ou aura évolué bien au-delà de tout ce qui pourrait être considéré comme humain.

  • Cosmos - Formation de galaxie
  • Stardate - Formation de la galaxie
  • CSIRO - La formation des galaxies
  • Université de l'Oregon - Formation Galaxy
  • Nature - Formation de galaxie: Aube cosmique
  • Wikipédia - Formation et évolution de la galaxie
  • Explorateur de visualisation de la NASA - Formation Galaxy
  • Université de Toronto / Dunlap Institute - Galaxy Formation


Voir la vidéo: Andromède nous fonce dessus! (Octobre 2021).