25.E : La Voie lactée (exercices)

Pour une exploration plus approfondie

Des articles

Blitz, L. « Le côté obscur de la Voie lactée ». Scientific American (octobre 2011) : 36—43. Comment trouvons-nous la matière noire et ce qu'elle nous apprend sur notre Galaxie, son disque déformé et ses galaxies satellites.

Dvorak, J. « Voyage au cœur de la Voie lactée ». Astronomie (février 2008) : 28. Mesurer les étoiles voisines pour déterminer les propriétés du trou noir au centre.

Gallagher, J., Wyse, R., et Benjamin, R. « La nouvelle Voie lactée ». Astronomie (septembre 2011) : 26. Met en évidence tous les aspects de la Voie lactée sur la base d'observations récentes.

Goldstein, A. « Trouver notre place dans la Voie lactée ». Astronomie (août 2015) : 50. Sur l'historique des observations qui ont permis de localiser le Soleil dans la Galaxie.

Haggard, D., & Bower, G. « Au cœur de la Voie lactée ». Sky & Telescope (février 2016) : 16. Sur les observations du noyau de la Galaxie, du trou noir et du magnétar supermassifs qui s'y trouvent.

Ibata, R., & Gibson, B. « Les fantômes des galaxies du passé ». Scientific American (avril 2007) : 40. À propos des flux d'étoiles de la Galaxie qui témoignent de fusions et de collisions passées.

Irion, R. « Une fin écrasante pour notre galaxie ». Science (7 janvier 2000) : 62. Sur le rôle des fusions dans l'évolution de la Voie lactée.

Irion, R. « À la découverte des trous noirs ». Smithsonian (avril 2008). Sur la façon dont les astronomes explorent le grand trou noir au centre de la Voie lactée.

Kruesi, L. « Comment nous avons cartographié la Voie lactée. » Astronomie (octobre 2009) : 28.

Kruesi, L. « Qu'est-ce qui se cache dans le cœur monstrueux de la Voie lactée ? » Astronomie (octobre 2015) : 30. Au centre de la Galaxie et du trou noir qui s'y trouve.

Laughlin, G., et Adams, F. « Célébrons le millénaire galactique ». Astronomie (novembre 2001) : 39. L'avenir à long terme de la Voie lactée dans les 90 milliards d'années à venir.

Loeb, A., & Cox, T.J. « Le rendez-vous de notre galaxie avec la destruction ». Astronomie (juin 2008) : 28. Décrit la fusion prochaine de la Voie lactée et d'Andromède.

Szpir, M. « Passer l'examen du barreau ». Astronomie (mars 1999) : 46. Sur la preuve que notre galaxie est une spirale barrée.

Tanner, A. « Un voyage au centre galactique ». Sky & Telescope (avril 2003) : 44. Belle introduction, avec des observations indiquant la présence d'un trou noir.

Trimble, V., et Parker, S. « Découvrez la Voie lactée ». Sky & Telescope (janvier 1995) : 26. Vue d'ensemble de notre galaxie.

Wakker, B., et Richter, P. « Notre galaxie grandissante et respirante ». Scientific American (janvier 2004) : 38. Preuve que notre galaxie est toujours en train de se construire grâce à l'ajout de gaz et de voisins plus petits.

Waller, W. « Repenser la Voie lactée ». Sky & Telescope (septembre 2004) : 50. Sur de récents relevés multi-longueurs d'onde de la Galaxie.

Whitt, K. « La Voie lactée vue de l'intérieur ». Astronomie (novembre 2001) : 58. Fantastique image panoramique de la Galaxie, avec des graphiques et des explications.

Sites Web

Sanctuaires internationaux du ciel étoilé : http://darksky.org/idsp/sanctuaries/. Une liste de sanctuaires, de parcs et de réserves dans le ciel étoilé.

Voie lactée à plusieurs longueurs d'onde : http://mwmw.gsfc.nasa.gov/mmw_sci.html. Ce site de la NASA montre le plan de notre Galaxie dans diverses bandes de longueurs d'onde et comprend des informations de base et d'autres ressources.

Débat Shapley-Curtis en 1920 : apod.nasa.gov/diamond_jubilee/debate_1920.html. En 1920, les astronomes Harlow Shapley et Heber Curtis se sont engagés dans un débat historique sur la taille de notre galaxie et sur l'existence d'autres galaxies. Vous trouverez ici du matériel historique et éducatif sur le débat.

Groupe des centres galactiques de l'UCLA : http://www.galacticcenter.astro.ucla.edu/. Apprenez-en plus sur le travail d'Andrea Ghez et de ses collègues sur la région centrale de la Voie lactée.

Vidéos

Le crash des Titans : http://www.spacetelescope.org/videos/hubblecast55a/. Ce Hubblecast de 2012 met en scène Jay Anderson et Roeland van der Marel expliquant comment Andromède entrera en collision avec la Voie lactée dans un avenir lointain (5:07).

Dîner au centre de la Galaxie : https://www.youtube.com/watch?v=UP7ig8Gxftw. Une brève discussion de ScienceCast de la NASA sur les observations de NuStar d'éruptions provenant du trou noir central de notre Galaxie (3:23).

Hunt for a Supermassive Black Hole : https://www.ted.com/talks/andrea_ghe...ive_black_hole. Conférence TED 2009 d'Andrea Ghez sur la recherche de trous noirs supermassifs, en particulier celui situé au centre de la Voie lactée (16:19).

Voyage au centre galactique : https://www.youtube.com/watch?v=36xZsgZ0oSo. Un bref voyage silencieux dans l'amas d'étoiles près du centre galactique montrant leurs mouvements autour du centre (3h00).

Activités de groupe collaboratives

1. Vous êtes capturé par des extraterrestres qui vous emmènent à l'intérieur d'un nuage complexe de gaz interstellaire, de poussière et de quelques étoiles nouvellement formées. Pour vous échapper, vous devez créer une carte du cloud. Heureusement, les extraterrestres disposent d'un observatoire astronomique complet avec des équipements permettant de mesurer toutes les bandes du spectre électromagnétique. À l'aide de ce que vous avez appris dans ce chapitre, demandez à votre groupe de discuter des types de cartes que vous pourriez créer à partir du cloud afin de tracer votre voie d'évacuation la plus efficace.
2. Le schéma que Herschel a fait de la Voie lactée présente une limite extérieure très irrégulière (voir la figure\(25.1.2\) de la section 25.1). Votre groupe peut-il trouver une raison à cela ? Comment Herschel a-t-il construit sa carte ?
3. Supposons que pour l'examen final de ce cours, votre groupe se voit attribuer du temps au télescope pour observer une étoile sélectionnée pour vous par votre professeur. Le professeur vous indique la position de l'étoile dans le ciel (son ascension et sa déclinaison droites) mais rien d'autre. Vous pouvez faire toutes les observations que vous souhaitez. Comment procéderiez-vous pour déterminer si l'étoile appartient à la population I ou à la population II ?
4. L'existence de la matière noire est une grande surprise, et sa nature demeure un mystère aujourd'hui. Un jour, les astronomes en sauront beaucoup plus à ce sujet (vous pouvez en apprendre davantage sur les découvertes actuelles dans L'évolution et la distribution des galaxies). Votre groupe peut-il dresser une liste des observations astronomiques antérieures qui, au départ, n'étaient qu'une surprise et un mystère, mais qui se sont finalement révélées (avec d'autres observations) comme des parties bien comprises de manuels d'introduction ?
5. Le physicien Gregory Benford a écrit une série de romans de science-fiction qui se dérouleront dans un futur lointain près du centre de la Voie lactée. Supposons que votre groupe écrive une telle histoire. Dressez une liste des différences entre l'environnement proche du centre galactique et celui des « banlieues galactiques », où se trouve le Soleil. La vie telle que nous la connaissons aurait-elle plus ou moins de mal à survivre sur des planètes qui gravitent autour d'étoiles proches du centre (et pourquoi) ?
6. De nos jours, dans la plupart des zones urbaines, les lumières des villes submergent complètement la faible lumière de la Voie lactée dans notre ciel. Demandez à chaque membre de votre groupe de sonder 5 à 10 amis ou parents (vous pourriez vous étendre sur le campus pour enquêter ou utiliser les réseaux sociaux ou le téléphone), en expliquant ce qu'est la Voie lactée et en leur demandant ensuite s'ils l'ont vue. Demandez également leur âge. Faites rapport à votre groupe et discutez de vos réactions à l'enquête. Y a-t-il un lien entre l'âge d'une personne et le fait qu'elle ait ou non vu la Voie lactée ? Dans quelle mesure est-il important que de nombreux enfants qui grandissent sur Terre aujourd'hui n'aient jamais (ou rarement) l'occasion de voir notre galaxie dans le ciel ?

Questions de révision

1. Expliquez pourquoi nous voyons la Voie lactée comme une faible bande de lumière qui traverse le ciel.
2. Expliquez où, dans une galaxie spirale, vous pouvez vous attendre à trouver des amas globulaires, des nuages moléculaires et de l'hydrogène atomique.
3. Décrivez plusieurs caractéristiques qui distinguent les étoiles de la population I des étoiles de la population II.
4. Décrivez brièvement les principales parties de notre galaxie.
5. Décrivez les preuves indiquant qu'un trou noir pourrait se trouver au centre de notre Galaxie.
6. Expliquez pourquoi l'abondance d'éléments lourds dans les étoiles est en corrélation avec leur position dans la Galaxie.
7. Quel sera l'avenir à long terme de notre Galaxie ?

Questions de réflexion

1. Supposons que la Voie lactée soit une bande de lumière s'étendant seulement à mi-chemin du ciel (c'est-à-dire en demi-cercle). Que feriez-vous alors à propos de la position du Soleil dans la Galaxie ? Donnez votre raisonnement.
2. Supposons que quelqu'un propose que, plutôt que d'invoquer la matière noire pour expliquer l'augmentation de la vitesse orbitale des étoiles au-delà de l'orbite du Soleil, le problème pourrait être résolu en supposant que le trou noir central de la Voie lactée était beaucoup plus massif. Le simple fait d'augmenter la masse supposée du trou noir supermassif central de la Voie lactée résout-il correctement le problème des vitesses orbitales étonnamment élevées dans la Galaxie ? Pourquoi ou pourquoi pas ?
3. Les amas globulaires tournent autour de la Galaxie sur des orbites hautement elliptiques. Où pensez-vous que les clusters passeront le plus clair de leur temps ? (Pensez aux lois de Kepler.) À tout moment, vous attendriez-vous à ce que la plupart des amas globulaires se déplacent à des vitesses élevées ou faibles par rapport au centre de la Galaxie ? Pourquoi ?
4. Shapley a utilisé les positions des amas globulaires pour déterminer l'emplacement du centre galactique. Aurait-il pu utiliser des clusters ouverts ? Pourquoi ou pourquoi pas ?
5. Considérez les cinq types d'objets suivants : amas ouvert, nuage moléculaire géant, amas globulaire, groupe d'étoiles O et B et nébuleuses planétaires.
   1. Qui se produisent uniquement dans les bras spiraux ?
   2. Qui se produisent uniquement dans les parties de la Galaxie autres que les bras spiraux ?
   3. Lesquels sont considérés comme très jeunes ?
   4. Lesquels sont considérés comme très anciens ?
   5. Qui ont les étoiles les plus sexy ?
6. La galaxie naine du Sagittaire est la plus proche de la Voie lactée, mais elle n'a été découverte qu'en 1994. Pouvez-vous trouver une raison pour laquelle il n'a pas été découvert plus tôt ? (Conseil : pensez à ce qu'il y a d'autre dans sa constellation.)
7. Supposons que trois étoiles se trouvent dans le disque de la Galaxie à des distances de 20 000 années-lumière, 25 000 années-lumière et 30 000 années-lumière du centre galactique, et supposons qu'à l'heure actuelle, les trois étoiles soient alignées de telle sorte qu'il soit possible de tracer une ligne droite à travers elles et jusqu'au centre de la Galaxie. Comment évolueront les positions relatives de ces trois étoiles avec le temps ? Supposons que leurs orbites soient toutes circulaires et se situent dans le plan du disque.
8. Pourquoi la formation des étoiles se produit-elle principalement dans le disque de la Galaxie ?
9. Où dans la Galaxie vous attendriez-vous à trouver des supernovae de type II, qui sont des explosions d'étoiles massives qui passent leur vie très rapidement ? Où vous attendriez-vous à trouver des supernovae de type I, qui impliquent des explosions de naines blanches ?
10. Supposons que les étoiles évoluent sans perdre de masse, qu'une fois que la matière a été incorporée dans une étoile, elle y reste pour toujours. En quoi l'apparence de la Galaxie serait-elle différente de ce qu'elle est aujourd'hui ? Y aurait-il des étoiles de population I et de population II ? Quelles autres différences y aurait-il ?

Se débrouiller par vous-même

1. Supposons que le Soleil tourne autour du centre de la Galaxie à une vitesse de 220 km/s et à une distance de 26 000 années-lumière du centre.
   1. Calculez la circonférence de l'orbite du Soleil en supposant qu'elle est approximativement circulaire. (N'oubliez pas que la circonférence d'un cercle est donnée par 2π R, où R est le rayon du cercle. Veillez à utiliser des unités cohérentes. La conversion des années-lumière en km/s peut être trouvée dans un calculateur en ligne ou une annexe, ou vous pouvez la calculer vous-même : la vitesse de la lumière est de 300 000 km/s et vous pouvez déterminer le nombre de secondes par an.)
   2. Calculez la période solaire, « l'année galactique ». Encore une fois, faites attention aux unités. Est-ce que cela correspond au chiffre que nous avons donné ci-dessus ?
2. Le Soleil tourne autour du centre de la Galaxie en 225 millions d'années à une distance de 26 000 années-lumière. Compte tenu de cela\[a^3= \left( M_1 + M_2 \right) \times P^2 \nonumber\], où\(a\) se situent le demi-grand axe et\(P\) la période orbitale, quelle est la masse de la Galaxie sur l'orbite du Soleil ?
3. Supposons que le Soleil orbite un peu plus loin, mais que la masse de la galaxie à l'intérieur de son orbite soit restée la même que celle que nous avons calculée dans l'exercice Figuring for Yourself 2. Quelle serait sa période à une distance de 30 000 années-lumière ?
4. Nous avons dit que la galaxie pivote de manière différentielle, c'est-à-dire que les étoiles situées dans ses parties internes effectuent une orbite complète de 360° autour du centre de la Galaxie plus rapidement que les étoiles plus éloignées. Utilisez la troisième loi de Kepler et la masse que nous avons dérivée dans l'exercice 2 de votre imagination pour calculer la période d'une étoile située à seulement 5 000 années-lumière du centre. Faites maintenant le même calcul pour un amas globulaire à une distance de 50 000 années-lumière. Supposons que le Soleil, cette étoile et l'amas globulaire tombent tous sur une ligne droite passant par le centre de la Galaxie. Où seront-ils l'un par rapport à l'autre une fois que le Soleil aura effectué un voyage complet autour du centre de la Galaxie ? (Supposons que toute la masse de la Galaxie soit concentrée en son centre.)
5. Si notre système solaire a 4,6 milliards d'années, combien d'années galactiques existe-t-elle sur la planète Terre ?
6. Supposons que la masse moyenne d'une étoile dans la Galaxie soit égale au tiers de la masse solaire. Utilisez la valeur de la masse de la Galaxie que nous avons calculée dans l'exercice 2 de votre imagination et estimez le nombre d'étoiles présentes dans la Voie lactée. Donnez quelques raisons, il est raisonnable de supposer que la masse d'une étoile moyenne est inférieure à la masse du Soleil.
7. Le premier indice que la Galaxie contient beaucoup de matière noire a été l'observation que la vitesse orbitale des étoiles ne diminuait pas avec l'augmentation de la distance par rapport au centre de la Galaxie. Construisez une courbe de rotation pour le système solaire en utilisant les vitesses orbitales des planètes, qui se trouvent à l'annexe F. En quoi cette courbe diffère-t-elle de la courbe de rotation de la Galaxie ? Qu'est-ce que cela vous indique sur l'endroit où se concentre la majeure partie de la masse du système solaire ?
8. La meilleure preuve de l'existence d'un trou noir au centre de la Galaxie provient également de l'application de la troisième loi de Kepler. Supposons qu'une étoile située à une distance de 20 heures-lumière du centre de la Galaxie ait une vitesse orbitale de 6200 km/s. Quelle masse doit se trouver à l'intérieur de son orbite ?
9. La prochaine étape pour décider si l'objet de l'exercice 8 de votre imagination est un trou noir consiste à estimer la densité de cette masse. Supposons que toute la masse soit répartie uniformément sur une sphère d'un rayon de 20 heures-lumière. Quelle est la densité en kg/km ³ ? (N'oubliez pas que le volume d'une sphère est donné par\(V= \frac{4}{3} \pi R^3 \).) Expliquez pourquoi la densité peut être encore supérieure à la valeur que vous avez calculée. Comment cette densité se compare-t-elle à celle du Soleil ou des autres objets dont nous avons parlé dans ce livre ?
10. Supposons que la galaxie naine du Sagittaire fusionne complètement avec la Voie lactée et y ajoute 150 000 étoiles. Estimez la variation en pourcentage de la masse de la Voie lactée. Cette masse sera-t-elle suffisante pour affecter l'orbite du Soleil autour du centre galactique ? Supposons que toutes les étoiles de la galaxie Sagittaire se retrouvent dans le renflement nucléaire de la Voie lactée et expliquez votre réponse.