25.6 : La formation de la galaxie

Objectifs d'apprentissage

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

• Décrivez le rôle joué par l'effondrement d'un seul nuage et la fusion avec d'autres galaxies dans la construction de la Voie lactée que nous voyons aujourd'hui
• Donnez des exemples d'amas globulaires et de galaxies satellites affectés par la forte gravité de la Voie lactée.

Les informations sur les populations d'étoiles fournissent des indices essentiels sur la façon dont notre Galaxie s'est construite au fil du temps. La forme aplatie du disque de la Galaxie suggère qu'elle s'est formée selon un processus similaire à celui qui conduit à la formation d'une protoétoile (voir La naissance des étoiles et la découverte de planètes en dehors du système solaire). S'appuyant sur cette idée, les astronomes ont d'abord développé des modèles qui supposaient que la Galaxie se formait à partir d'un seul nuage Mais, comme nous le verrons, il s'avère que ce n'est qu'une partie de l'histoire.

Le nuage protogalactique et le modèle d'effondrement monolithique

Comme les étoiles les plus anciennes, celles du halo et des amas globulaires, sont réparties dans une sphère centrée sur le noyau de la Galaxie, il est logique de supposer que le nuage protogalactique qui a donné naissance à notre Galaxie était à peu près sphérique. Les étoiles les plus anciennes du halo ont des âges de 12 à 13 milliards d'années. Nous estimons donc que la formation de la Galaxie a commencé il y a à peu près aussi longtemps. (Voir le chapitre sur le Big Bang pour d'autres preuves que les galaxies en général ont commencé à se former il y a un peu plus de 13 milliards d'années.) Ensuite, comme dans le cas de la formation des étoiles, le nuage protogalactique s'est effondré et a formé un mince disque rotatif. Les étoiles nées avant l'effondrement du nuage n'ont pas participé à l'effondrement, mais ont continué à orbiter dans le halo jusqu'à nos jours (Figure\(\PageIndex{1}\)).

Figure Modèle\(\PageIndex{1}\) d'effondrement monolithique pour la formation de la galaxie. Selon ce modèle, la Voie lactée s'est initialement formée à partir d'un nuage de gaz rotatif qui s'est effondré sous l'effet de la gravité. Des étoiles halo et des amas globulaires se sont formés avant l'effondrement ou se sont formés ailleurs. Les étoiles du disque se sont formées plus tard, alors que le gaz à partir duquel elles ont été fabriquées était déjà « contaminé » par des éléments lourds produits par les générations précédentes d'étoiles.

Les forces gravitationnelles ont provoqué la fragmentation du gaz contenu dans le mince disque en nuages ou en amas ayant des masses similaires à celles des amas d'étoiles. Ces nuages individuels se sont ensuite fragmentés davantage pour former des étoiles. Comme les étoiles les plus anciennes du disque sont presque aussi vieilles que les plus jeunes étoiles du halo, l'effondrement a dû être rapide (astronomiquement parlant), ne nécessitant peut-être pas plus de quelques centaines de millions d'années.

Les victimes de collisions et le modèle de fusion multiple

Au cours des dernières décennies, les astronomes ont appris que l'évolution de la Galaxie n'a pas été aussi pacifique que le suggère ce modèle d'effondrement monolithique. En 1994, des astronomes ont découvert une nouvelle petite galaxie en direction de la constellation du Sagittaire. La galaxie naine du Sagittaire se trouve actuellement à environ 70 000 années-lumière de la Terre et à 50 000 années-lumière du centre de la Galaxie. C'est la galaxie la plus proche connue (Figure\(\PageIndex{2}\)). Elle est très allongée et sa forme indique qu'elle est en train d'être déchirée par les marées gravitationnelles de notre Galaxie, tout comme la comète Shoemaker-Levy 9 a été déchirée lorsqu'elle est passée trop près de Jupiter en 1992.

La galaxie du Sagittaire est beaucoup plus petite que la Voie lactée, avec seulement 150 000 étoiles environ, qui semblent toutes destinées à se retrouver dans le bulbe et le halo de notre propre galaxie. Mais ne sonnez pas encore les cloches funéraires de la petite galaxie ; l'ingestion du nain Sagittaire prendra encore environ 100 millions d'années et les étoiles elles-mêmes survivront.

Figure\(\PageIndex{2}\) Sagittaire Nain. En 1994, des astronomes britanniques ont découvert une galaxie dans la constellation du Sagittaire, située à seulement 50 000 années-lumière du centre de la Voie lactée et tombant dans notre galaxie. Cette image couvre une région d'environ 70° × 50° et combine une vue en noir et blanc du disque de notre Galaxie avec une carte de contour rouge montrant la luminosité de la galaxie naine. La galaxie naine se trouve de l'autre côté du centre galactique par rapport à nous. Les étoiles blanches de la région rouge indiquent l'emplacement de plusieurs amas globulaires contenus dans la galaxie naine du Sagittaire. La croix marque le centre galactique. La ligne horizontale correspond au plan galactique. Le contour bleu de chaque côté du plan galactique correspond à l'image infrarouge de la Figure de\(25.1.6\) la Section 25.1. Les cases indiquent les régions où des études détaillées d'étoiles individuelles ont mené à la découverte de cette galaxie.

Depuis cette découverte, des preuves de nombreuses autres rencontres rapprochées entre notre Galaxie et d'autres galaxies voisines ont été découvertes. Lorsqu'une petite galaxie s'aventure trop près, la force de gravité exercée par notre galaxie tire plus fort sur le côté proche que sur le côté éloigné. L'effet net est que les étoiles qui appartenaient à l'origine à la petite galaxie se dispersent en un long ruisseau qui orbite à travers le halo de la Voie lactée (Figure\(\PageIndex{3}\)).

Figure\(\PageIndex{3}\) des ruisseaux dans le halo galactique. Lorsqu'une petite galaxie est avalée par la Voie lactée, ses étoiles membres sont éliminées et forment des flots d'étoiles dans le halo galactique. Cette image est basée sur des calculs de ce à quoi pourraient ressembler certains de ces courants de marée si la Voie lactée avait avalé 50 galaxies naines au cours des 10 derniers milliards d'années.

Un tel courant de marée peut conserver son identité pendant des milliards d'années. À ce jour, les astronomes ont identifié des cours d'eau provenant de 12 petites galaxies qui s'aventuraient trop près de la Voie lactée, beaucoup plus grande. Six autres cours d'eau sont associés à des amas globulaires. Il a été suggéré que les grands amas globulaires, comme Omega Centauri, sont en fait des noyaux denses de galaxies naines cannibalisées. L'amas globulaire M54 est maintenant considéré comme le noyau de la naine Sagittaire dont nous avons parlé plus tôt, qui est actuellement en train de fusionner avec la Voie lactée (Figure\(\PageIndex{4}\)). Les étoiles situées dans les régions extérieures de ces galaxies sont éliminées par l'attraction gravitationnelle de la Voie lactée, mais les régions denses centrales peuvent survivre.

Figure Cluster\(\PageIndex{4}\) globulaire M54. Cette magnifique image du télescope spatial Hubble montre l'amas globulaire qui est aujourd'hui considéré comme le noyau de la galaxie naine du Sagittaire.

Les calculs indiquent que le disque épais de la galaxie peut être le produit d'une ou de plusieurs collisions de ce type avec d'autres galaxies. L'accrétion d'une galaxie satellite remuerait les orbites des étoiles et des nuages de gaz situés à l'origine dans le mince disque et les amènerait à se déplacer plus haut au-dessus et en dessous du plan médian de la galaxie. Pendant ce temps, les étoiles de la Galaxie s'ajouteraient au mélange moelleux. Si une telle collision s'était produite il y a environ 10 milliards d'années, tout gaz présent dans les deux galaxies qui ne s'était pas encore formé en étoiles aurait eu tout le temps de se redéposer dans le mince disque. Le gaz aurait alors pu commencer à former les générations suivantes d'étoiles de la population I. Cette chronologie correspond également à l'âge typique des étoiles du disque épais.

La Voie lactée réserve d'autres collisions. La galaxie naine Canis Major, dont la masse représente environ 1 % de la masse de la Voie lactée, en est un exemple. De longs queues de marée ont déjà été retirés de cette galaxie, qui s'est enroulée trois fois autour de la Voie lactée. Plusieurs des amas globulaires trouvés dans la Voie lactée peuvent également provenir de la naine Canis Major, qui devrait progressivement fusionner avec la Voie lactée au cours du prochain milliard d'années.

Dans environ 3 milliards d'années, la Voie lactée elle-même sera engloutie, car elle et la galaxie d'Andromède sont sur une trajectoire de collision. Nos modèles informatiques montrent qu'après une interaction complexe, les deux fusionneront pour former une galaxie plus grande et plus arrondie (Figure\(\PageIndex{5}\)).

Figure\(\PageIndex{5}\) Collision de la Voie lactée avec Andromède. Dans environ 3 milliards d'années, la Voie lactée et la galaxie d'Andromède entameront un long processus de collision, de séparation, puis de retour ensemble pour former une galaxie elliptique. L'ensemble de l'interaction durera de 3 à 4 milliards d'années. Ces images montrent la séquence suivante : (1) En 3,75 milliards d'années, Andromède s'est approchée de la Voie lactée. (2) De nouvelles étoiles rempliront le ciel dans 3,85 milliards d'années. (3) La formation d'étoiles se poursuit à 3,9 milliards d'années. (4) Les formes des galaxies changent au fur et à mesure qu'elles interagissent, Andromède étant étirée et notre Galaxie en train de se déformer, dans environ 4 milliards d'années. (5) En 5,1 milliards d'années, les noyaux des deux galaxies sont des lobes brillants. (6) En 7 milliards d'années, les galaxies fusionnées forment une immense galaxie elliptique dont la luminosité remplit le ciel nocturne. Les illustrations de cet artiste montrent les événements depuis un point de vue situé à 25 000 années-lumière du centre de la Voie lactée. Cependant, il convient de mentionner que le Soleil ne se trouve peut-être pas à cette distance tout au long de la séquence des événements, car la collision réajuste les orbites de nombreuses étoiles au sein de chaque galaxie.

Nous nous rendons ainsi compte que les « influences environnementales » (et pas seulement les caractéristiques originales d'une galaxie) jouent un rôle important dans la détermination des propriétés et du développement de notre galaxie. Dans les prochains chapitres, nous verrons que les collisions et les fusions sont également un facteur majeur dans l'évolution de nombreuses autres galaxies.

Résumé

La galaxie a commencé à se former il y a un peu plus de 13 milliards d'années. Les modèles suggèrent que les étoiles du halo et des amas globulaires se sont formées en premier, alors que la galaxie était sphérique. Le gaz, quelque peu enrichi en éléments lourds par la première génération d'étoiles, s'est ensuite effondré, passant d'une distribution sphérique à une distribution en forme de disque rotatif. Les étoiles se forment encore aujourd'hui à partir du gaz et de la poussière qui restent dans le disque. La formation des étoiles se produit le plus rapidement dans les bras spiraux, là où la densité de matière interstellaire est la plus élevée. La Galaxie a capturé (et capture toujours) d'étoiles et d'amas globulaires supplémentaires provenant de petites galaxies qui s'aventuraient trop près de la Voie lactée. Dans 3 à 4 milliards d'années, la galaxie commencera à entrer en collision avec la galaxie d'Andromède, et après environ 7 milliards d'années, les deux galaxies fusionneront pour former une galaxie elliptique géante.