25.3 : La masse de la galaxie
- Page ID
- 191935
Objectifs d'apprentissage
À la fin de cette section, vous serez en mesure de :
- Décrire les tentatives historiques visant à déterminer la masse de la Galaxie
- Interpréter la courbe de rotation observée de notre Galaxie pour suggérer la présence de matière noire dont la distribution s'étend bien au-delà de l'orbite du Soleil
Lorsque nous avons décrit les sections de la Voie lactée, nous avons dit que les étoiles sont désormais connues pour être entourées d'un halo de matière invisible beaucoup plus grand. Voyons comment cette surprenante découverte a été faite.
Kepler aide à peser la galaxie
Le Soleil, comme toutes les autres étoiles de la Galaxie, tourne autour du centre de la Voie lactée. L'orbite de notre étoile est presque circulaire et se trouve dans le disque de la Galaxie. La vitesse du Soleil sur son orbite est d'environ 200 kilomètres par seconde, ce qui signifie qu'il nous faut environ 225 millions d'années pour faire le tour du centre de la Galaxie. Nous appelons la période de la révolution solaire l'année galactique. C'est long par rapport aux échelles de temps humaines ; pendant toute la durée de vie de la Terre, seulement une vingtaine d'années galactiques se sont écoulées. Cela signifie que nous n'avons parcouru qu'une infime partie du trajet autour de la Galaxie pendant tout le temps que les humains ont contemplé le ciel.
Nous pouvons utiliser les informations concernant l'orbite du Soleil pour estimer la masse de la Galaxie (tout comme nous pourrions « peser » le Soleil en surveillant l'orbite d'une planète qui l'entoure — voir Orbites et gravité). Supposons que l'orbite du Soleil soit circulaire et que la Galaxie soit à peu près sphérique (nous savons que la Galaxie a la forme d'un disque, mais pour simplifier le calcul, nous ferons cette hypothèse, qui illustre l'approche de base). Il y a longtemps, Newton a montré que si vous avez de la matière distribuée sous la forme d'une sphère, il est simple de calculer l'attraction de la gravité sur un objet situé juste à l'extérieur de cette sphère : vous pouvez supposer que la gravité agit comme si toute la matière était concentrée en un point situé au centre de la sphère. Pour notre calcul, nous pouvons donc supposer que toute la masse située à l'intérieur de la position du Soleil est concentrée au centre de la Galaxie et que le Soleil tourne autour de ce point à une distance d'environ 26 000 années-lumière.
C'est le genre de situation à laquelle la troisième loi de Kepler (telle que modifiée par Newton) peut être directement appliquée. En ajoutant des nombres à la formule de Kepler, nous pouvons calculer la somme des masses de la Galaxie et du Soleil. Cependant, la masse du Soleil est totalement insignifiante par rapport à la masse de la Galaxie. Ainsi, à toutes fins pratiques, le résultat (environ 100 milliards de fois la masse du Soleil) est la masse de la Voie lactée. Des calculs plus sophistiqués basés sur des modèles plus sophistiqués donnent un résultat similaire.
Notre estimation nous indique la quantité de masse contenue dans le volume situé à l'intérieur de l'orbite du Soleil. Il s'agit d'une bonne estimation de la masse totale de la Galaxie uniquement si pratiquement aucune masse ne se trouve en dehors de l'orbite du Soleil. Pendant de nombreuses années, les astronomes ont pensé que cette hypothèse était raisonnable. Le nombre d'étoiles brillantes et la quantité de matière lumineuse (c'est-à-dire toute matière à partir de laquelle nous pouvons détecter un rayonnement électromagnétique) diminuent tous deux de façon spectaculaire à des distances de plus de 30 000 années-lumière du centre galactique. Nous ne nous doutions pas à quel point notre hypothèse était fausse.
Une galaxie de matière presque invisible
En science, ce qui semble être une hypothèse raisonnable peut par la suite s'avérer erronée (c'est pourquoi nous continuons à faire des observations et des expériences chaque fois que nous en avons l'occasion). La Voie lactée offre bien plus qu'il n'y paraît (ou que nos instruments). Bien qu'il y ait relativement peu de matière lumineuse au-delà de 30 000 années-lumière, nous savons maintenant qu'une grande quantité de matière invisible existe à de grandes distances du centre galactique.
Nous pouvons comprendre comment les astronomes ont détecté cette matière invisible en se souvenant que, selon la troisième loi de Kepler, les objets orbitant à de grandes distances d'un objet massif se déplaceront plus lentement que les objets plus proches de cette masse centrale. Dans le cas du système solaire, par exemple, les planètes extérieures se déplacent plus lentement sur leur orbite que les planètes proches du Soleil.
Quelques objets, notamment des amas globulaires et quelques petites galaxies satellites voisines, se trouvent bien en dehors de la limite lumineuse de la Voie lactée. Si la majeure partie de la masse de notre Galaxie était concentrée dans la région lumineuse, ces objets très éloignés devraient parcourir leurs orbites galactiques à des vitesses plus faibles que celles du Soleil, par exemple.
Il s'avère toutefois que les quelques objets vus à grande distance de la limite lumineuse de la Voie lactée ne se déplacent pas plus lentement que le Soleil. Il existe des amas globulaires et des étoiles RR Lyrae entre 30 000 et 150 000 années-lumière du centre de la Galaxie, et leurs vitesses orbitales sont encore supérieures à celles du Soleil (Figure\(\PageIndex{1}\)).
Que signifient ces vitesses plus élevées ? La troisième loi de Kepler nous indique à quelle vitesse les objets doivent graviter autour d'une source de gravité s'ils ne veulent ni tomber dedans (parce qu'ils se déplacent trop lentement) ni s'échapper (parce qu'ils se déplacent trop vite). Si la Galaxie n'avait eu que la masse calculée par Kepler, les objets extérieurs à grande vitesse auraient dû échapper depuis longtemps à l'emprise de la Voie lactée. Le fait qu'ils ne l'aient pas fait signifie que notre Galaxie doit avoir une gravité supérieure à celle que peut fournir la matière lumineuse, en fait, beaucoup plus de gravité. La vitesse élevée de ces objets extérieurs nous indique que la source de cette surgravité doit s'étendre vers l'extérieur à partir du centre, bien au-delà de l'orbite du Soleil.
Si la gravité avait été fournie par des étoiles ou par quelque chose d'autre qui émet des radiations, nous aurions dû repérer cette matière extérieure supplémentaire il y a longtemps. Nous sommes donc contraints de conclure à contrecœur que cette matière est invisible et qu'elle est passée totalement inaperçue, à l'exception de son attraction gravitationnelle.
L'étude des mouvements des amas globulaires les plus éloignés et des petites galaxies qui gravitent autour de la nôtre montre que la masse totale de la Galaxie est au moins\(2 \times 10^{12}\)\(M_{\text{Sun}}\) vingt fois supérieure à la quantité de matière lumineuse. De plus, la matière noire (comme les astronomes en sont venus à appeler la matière invisible) s'étend sur une distance d'au moins 200 000 années-lumière du centre de la Galaxie. Les observations indiquent que ce halo de matière noire est presque sphérique, mais pas tout à fait.
La question évidente est la suivante : de quoi est faite la matière noire ? Examinons une liste de « suspects » tirée de notre étude sur l'astronomie réalisée jusqu'à présent. Comme cette matière est invisible, elle ne peut clairement pas se présenter sous la forme d'étoiles ordinaires. Et il ne peut pas s'agir de gaz sous quelque forme que ce soit (rappelez-vous qu'il doit y en avoir beaucoup). S'il s'agissait d'hydrogène gazeux neutre, son émission spectrale de 21 cm de longueur d'onde aurait été détectée sous forme d'ondes radio. S'il s'agit d'hydrogène ionisé, il doit être suffisamment chaud pour émettre un rayonnement visible. Si de nombreux atomes d'hydrogène s'étaient combinés pour former des molécules d'hydrogène, celles-ci devraient produire des traits sombres dans les spectres ultraviolets des objets situés au-delà de la Galaxie, mais ces caractéristiques n'ont pas été observées. La matière noire ne peut pas non plus être constituée de poussière interstellaire, car en quantité requise, la poussière masquerait de manière significative la lumière des galaxies lointaines.
Quelles sont nos autres possibilités ? La matière noire ne peut pas être constituée d'un grand nombre de trous noirs (de masse stellaire) ou d'anciennes étoiles à neutrons, car la matière interstellaire tombant sur de tels objets produirait plus de rayons X que ce qui est observé. Rappelons également que la formation de trous noirs et d'étoiles à neutrons est précédée d'une perte de masse importante, qui disperse des éléments lourds dans l'espace pour être incorporés aux générations suivantes d'étoiles. Si la matière noire était constituée d'un très grand nombre de ces objets, ils auraient soufflé et recyclé de nombreux éléments plus lourds au cours de l'histoire de la Galaxie. Dans ce cas, les jeunes étoiles que nous observons aujourd'hui dans notre Galaxie contiendraient beaucoup plus d'éléments lourds qu'elles ne le sont réellement.
Les naines brunes et les planètes solitaires ressemblant à Jupiter ont également été exclues. Tout d'abord, il faudrait qu'il y en ait énormément pour constituer autant de matière noire. Mais nous avons un test plus direct pour savoir si autant d'objets de faible masse peuvent réellement se cacher là-bas. Comme nous l'avons appris dans Black Holes and Curved Spacetime, la théorie générale de la relativité prédit que le chemin parcouru par la lumière est modifié lorsqu'elle passe à proximité d'une concentration de masse. Il s'avère que lorsque les deux objets apparaissent suffisamment proches l'un de l'autre dans le ciel, la masse la plus proche de nous peut dévier la lumière de plus en plus loin. Avec juste le bon alignement, l'image de l'objet le plus éloigné devient également beaucoup plus lumineuse. En recherchant l'éclaircissement temporaire qui se produit lorsqu'un objet de matière noire de notre propre galaxie se déplace sur la trajectoire empruntée par la lumière des étoiles des nuages de Magellan, les astronomes ont maintenant montré que la matière noire ne peut pas être composée d'un grand nombre de petits objets dont la masse se situe entre un millionième et un dixième. la masse du Soleil.
Que reste-t-il ? Il est possible que la matière noire soit composée de particules subatomiques exotiques d'un type qui n'a pas encore été détecté sur Terre. Des expériences très sophistiquées (et difficiles) sont actuellement en cours pour rechercher de telles particules. Restez à l'affût pour voir si quelque chose comme ça se produit.
Il faut ajouter que le problème de la matière noire ne se limite pas à la Voie lactée. Les observations montrent que la matière noire doit également être présente dans d'autres galaxies (dont les régions extérieures orbitent également trop vite « pour leur propre bien » ; elles ont également des courbes de rotation plates). Comme nous le verrons, la matière noire existe même dans de grands amas de galaxies dont les membres sont maintenant connus pour se déplacer sous l'influence de la gravité bien plus que ce que peut expliquer la seule matière lumineuse.
Arrêtez-vous un instant et considérez à quel point la conclusion à laquelle nous sommes parvenus est vraiment étonnante. Peut-être que 95 % de la masse de notre Galaxie (et de nombreuses autres galaxies) est non seulement invisible, mais nous ne savons même pas de quoi elle est composée. Les étoiles et la matière première que nous pouvons observer ne sont peut-être que la pointe de l'iceberg cosmique ; à la base de tout cela se trouvent peut-être d'autres matières, peut-être familières, peut-être étonnamment nouvelles. Comprendre la nature de cette matière noire est l'un des grands défis de l'astronomie d'aujourd'hui ; vous en apprendrez davantage à ce sujet dans Un univers composé (principalement) de matière noire et d'énergie noire.
Résumé
Le Soleil tourne complètement autour du centre galactique en 225 millions d'années environ (une année galactique). La masse de la Galaxie peut être déterminée en mesurant les vitesses orbitales des étoiles et de la matière interstellaire. La masse totale de la Galaxie est d'environ\(2 \times 10^{12}\)\(M_{\text{Sun}}\). Jusqu'à 95 % de cette masse est constituée de matière noire qui n'émet aucun rayonnement électromagnétique et ne peut être détectée qu'en raison de la force gravitationnelle qu'elle exerce sur les étoiles visibles et la matière interstellaire. Cette matière noire se trouve principalement dans le halo de la Galaxie ; sa nature n'est pas bien comprise à l'heure actuelle.
Lexique
- matière noire
- masse non lumineuse, dont la présence ne peut être déduite qu'en raison de son influence gravitationnelle sur la matière lumineuse ; la composition de la matière noire n'est pas connue