25.2 : Structure en spirale

Objectifs d'apprentissage

À la fin de cette section, vous serez en mesure de :

• Décrivez la structure de la Voie lactée et comment les astronomes l'ont découverte
• Comparez les modèles théoriques pour la formation de bras spiraux dans les galaxies à disques

Les astronomes ont pu faire d'énormes progrès dans la cartographie de la structure en spirale de la Voie lactée après la découverte de la ligne de 21 cm provenant de l'hydrogène froid (voir Entre les étoiles : gaz et poussière dans l'espace). N'oubliez pas que l'effet obscurcissant de la poussière interstellaire nous empêche de voir les étoiles à grande distance dans le disque aux longueurs d'onde visibles. Cependant, des ondes radio d'une longueur d'onde de 21 cm traversent directement la poussière, permettant aux astronomes de détecter des atomes d'hydrogène dans toute la Galaxie. Des études plus récentes de l'émission infrarouge des étoiles du disque ont fourni une perspective similaire sans poussière de la distribution des étoiles de notre Galaxie. Malgré tous ces progrès réalisés au cours des cinquante dernières années, nous commençons tout juste à définir la structure précise de notre Galaxie.

Les armoiries de la Voie lactée

Nos observations radio de la composante gazeuse du disque indiquent que la Galaxie possède deux bras spiraux principaux qui émergent de la barre et plusieurs bras plus faibles et des éperons plus courts. Vous pouvez voir une carte récemment assemblée de la structure du bras de notre Galaxie, dérivée d'études dans l'infrarouge, sur la Figure\(\PageIndex{1}\).

Figure : barre et bras de la\(\PageIndex{1}\) Voie lactée. Ici, nous voyons la Voie lactée telle qu'elle apparaîtrait d'en haut. Cette image, assemblée à partir des données de la mission WISE de la NASA, montre que la Voie lactée a une barre modeste dans ses régions centrales. Deux bras en spirale, Scutum-Centaurus et Persée, émergent des extrémités de la barre et entourent le renflement. Le Sagittaire et les bras extérieurs ont moins d'étoiles que les deux autres bras.

Le Soleil se trouve près du bord intérieur d'un bras court appelé l'éperon d'Orion, qui mesure environ 10 000 années-lumière et contient des éléments remarquables tels que le Rift du Cygne (la grande nébuleuse sombre de la Voie lactée estivale) et la brillante nébuleuse d'Orion. La figure\(\PageIndex{2}\) montre quelques autres objets qui partagent cette petite partie de la Galaxie avec nous et qui sont faciles à voir. N'oubliez pas que plus nous essayons de regarder loin de notre bras, plus la poussière s'accumule dans la Galaxie et la rend difficile à voir avec la lumière visible.

Figurine\(\PageIndex{2}\) Orion Spur. Le Soleil est situé dans l'éperon d'Orion, qui est un petit bras en spirale situé entre deux autres bras. Dans ce diagramme, les lignes blanches pointent vers d'autres objets remarquables qui partagent cette caractéristique de la Voie lactée avec le Soleil.

Formation d'une structure en spirale

À la distance du Soleil par rapport à son centre, la galaxie ne tourne pas comme une roue pleine ou un CD à l'intérieur de votre lecteur. Au lieu de cela, la façon dont les objets individuels tournent autour du centre de la Galaxie ressemble davantage à celle du système solaire. Les étoiles, ainsi que les nuages de gaz et de poussière, obéissent à la troisième loi de Kepler. Les objets les plus éloignés du centre mettent plus de temps à effectuer une orbite autour de la Galaxie que les objets plus proches du centre. En d'autres termes, les étoiles (et la matière interstellaire) situées sur de grandes orbites de la Galaxie suivent celles qui se trouvent sur des orbites plus petites. Cet effet est appelé rotation galactique différentielle.

La rotation différentielle semble expliquer pourquoi une grande partie de la matière du disque de la Voie lactée est concentrée dans des éléments allongés qui ressemblent à des bras spiraux. Quelle que soit la distribution initiale de la matière, la rotation différentielle de la Galaxie peut l'étirer en formes spirales. La figure\(\PageIndex{3}\) montre le développement de bras spiraux à partir de deux gouttes irrégulières de matière interstellaire. Remarquez qu'à mesure que les parties des taches les plus proches du centre galactique se déplacent plus rapidement, celles qui se trouvent le plus loin suivent.

Figure\(\PageIndex{3}\) : Modèle simplifié pour la formation de bras spiraux. Cette esquisse montre comment les bras spiraux peuvent se former à partir de nuages irréguliers de matière interstellaire étirés par les différentes vitesses de rotation dans toute la Galaxie. Les régions les plus éloignées du centre galactique mettent plus de temps à terminer leur orbite et sont donc à la traîne par rapport aux régions intérieures. Si c'était le seul mécanisme permettant de créer des bras spiraux, au fil du temps, les bras spiraux s'enrouleraient complètement et disparaîtraient. Comme de nombreuses galaxies ont des bras spiraux, elles doivent avoir une longue durée de vie et d'autres processus doivent être à l'œuvre pour les maintenir.

Mais cette image de bras spiraux pose un problème immédiat aux astronomes. Si c'était tout ce qu'il y avait à dire, la rotation différentielle, au cours des quelque 13 milliards d'années d'histoire de la Galaxie, aurait resserré de plus en plus les bras de la Galaxie jusqu'à ce que tout semblant de structure en spirale ait disparu. Mais la Voie lactée avait-elle réellement des bras spiraux lorsqu'elle s'est formée il y a 13 milliards d'années ? Et les bras en spirale, une fois formés, durent-ils aussi longtemps ?

Avec l'avènement du télescope spatial Hubble, il est devenu possible d'observer la structure de galaxies très éloignées et de voir à quoi elles ressemblaient peu de temps après leur formation, il y a plus de 13 milliards d'années. Les observations montrent que les galaxies, à leurs débuts, possédaient des régions brillantes et agglutinées formant des étoiles, mais aucune structure en spirale régulière.

Au cours des milliards d'années qui ont suivi, les galaxies ont commencé à « se stabiliser ». Les galaxies qui devaient devenir des spirales ont perdu leurs amas massifs et ont développé un renflement central. La turbulence dans ces galaxies a diminué, la rotation a commencé à dominer les mouvements des étoiles et des gaz, et les étoiles ont commencé à se former dans un disque beaucoup plus silencieux. De plus petites touffes formant des étoiles ont commencé à former des bras spiraux flous et peu distincts. Des bras spiraux brillants et bien définis n'ont commencé à apparaître que lorsque les galaxies avaient environ 3,6 milliards d'années. Au départ, il y avait deux bras bien définis. Les structures à plusieurs branches des galaxies, comme celles que nous voyons dans la Voie lactée, ne sont apparues que lorsque l'univers avait environ 8 milliards d'années.

Nous aborderons l'histoire des galaxies plus en détail dans L'évolution et la distribution des galaxies. Mais, même après notre brève discussion, vous pouvez avoir l'impression que les structures spirales que nous observons aujourd'hui dans les galaxies matures sont apparues plus tard dans l'histoire complète de l'évolution des choses dans l'univers.

Les scientifiques ont utilisé des calculs de superordinateurs pour modéliser la formation et l'évolution des bras. Ces calculs suivent les mouvements de jusqu'à 100 millions de « particules stellaires » afin de déterminer si les forces gravitationnelles peuvent les amener à former une structure en spirale. Ces calculs montrent que les nuages moléculaires géants (dont nous avons parlé dans Between the Stars : Gas and Dust in Space) ont une influence gravitationnelle suffisante sur leur environnement pour initier la formation de structures qui ressemblent à des bras spiraux. Ces armes se perpétuent alors d'elles-mêmes et peuvent survivre pendant au moins plusieurs milliards d'années. Les bras peuvent changer de luminosité au fil du temps au fur et à mesure que la formation des étoiles va et vient, mais ce ne sont pas des caractéristiques temporaires. La concentration de matière dans les bras exerce une force gravitationnelle suffisante pour maintenir les bras ensemble pendant de longues périodes.

Concepts clés et résumé

La distribution gazeuse dans le disque de la Galaxie comporte deux bras spiraux principaux qui émergent des extrémités de la barre centrale, ainsi que plusieurs bras plus faibles et de courts éperons ; le Soleil est situé dans l'un de ces éperons. Les mesures montrent que la Galaxie ne tourne pas comme un corps solide, mais que ses étoiles et son gaz suivent une rotation différentielle, de sorte que la matière la plus proche du centre galactique complète son orbite plus rapidement. Les observations montrent que les galaxies comme la Voie lactée mettent plusieurs milliards d'années après leur formation à développer une structure en spirale.

Lexique

rotation galactique différentielle

l'idée que les différentes parties de la Galaxie tournent à des rythmes différents, étant donné que les parties de la Galaxie suivent la troisième loi de Kepler : les objets les plus éloignés mettent plus de temps à effectuer une orbite complète autour du centre de la Galaxie

bras en spirale

région en forme de spirale, caractérisée par une matière interstellaire relativement dense et de jeunes étoiles, observée dans les disques des galaxies spirales