Qu'est-ce qu'une galaxie ?

Les galaxies sont des systèmes tentaculaires composés de poussières, de gaz, de matière noire et d'un million à un billion d'étoiles, le tout maintenu par la gravité. Presque toutes les grandes galaxies compteraient également en leur centre des trous noirs supermassifs. Dans la nôtre, la Voie lactée, le Soleil n'est qu'une étoile parmi 100 à 400 milliards d'autres en orbite autour de Sagittarius A*, un trou noir supermassif d'une masse équivalente à quatre millions de soleils.

Plus nous portons loin notre regard dans l'univers, plus nous voyons de galaxies. Une étude parue en 2016 estime que l'univers observable contiendrait deux billions de galaxies, soit deux millions de millions ou en écriture scientifique, 10¹². Aussi éloignés soient-ils, certains de ces systèmes ont des points communs avec notre Voie lactée alors que d'autres lui ressemblent moins.

TYPES DE GALAXIES

Avant le 20e siècle, nous ne savions pas qu'il existait des galaxies en dehors de la Voie lactée ; face à leur allure de nuage brumeux, les astronomes de l'époque les classaient dans la catégorie des « nébuleuses ». Il faudra attendre 1920 et la démonstration de l'astronome Edwin Hubble pour que la « nébuleuse » d'Andromède soit enfin considérée comme une galaxie à part entière. Compte tenu de la distance qui la sépare de notre planète, la lumière émise par la galaxie d'Andromède met 2,5 millions d'années à nous parvenir. Malgré cette formidable distance, Andromède est la grande galaxie la plus proche de notre Voie lactée et sa luminosité est suffisante pour être visible à l'œil nu dans le ciel nocturne de l'hémisphère Nord.

En 1936, Hubble instaure une classification des galaxies en les regroupant selon quatre types principaux : spirale, lenticulaire, elliptique et irrégulière.

Plus des deux tiers des galaxies observées sont des galaxies spirales. Une galaxie spirale se présente sous la forme d'un disque plat en rotation autour d'un bulbe central entouré de bras en spirales. Ce mouvement rotatif à la vitesse de plusieurs centaines de kilomètres par seconde peut amener la matière contenue dans le disque à prendre une forme hélicoïdale caractéristique, un peu comme un moulin cosmique. À l'instar d'autres galaxies spirales, notre Voie lactée possède une barre d'étoiles en son centre.

Les galaxies elliptiques ont la forme que laisse entendre leur nom : un cercle qui s'étend généralement plus sur un axe que sur l'autre. Parfois, cette différence est si prononcée que certaines prennent la forme d'un cigare. Les plus grandes galaxies de l'univers connues à ce jour, les galaxies elliptiques géantes, peuvent contenir jusqu'à un billion d'étoiles et s'étendre sur plus de deux millions d'années-lumière. Cela dit, il existe également de petites galaxies elliptiques appelées galaxies naines elliptiques.

Les galaxies elliptiques contiennent bon nombre d'anciennes étoiles, mais peu de poussières ou autre matière interstellaire. Leurs étoiles orbitent autour du centre galactique, comme celles contenues dans les disques des galaxies spirales, mais elles progressent dans des directions bien plus aléatoires. D'après nos connaissances, peu de nouvelles étoiles se forment dans les galaxies elliptiques. Ces galaxies s'inscrivent souvent dans des amas de galaxies.

Les galaxies lenticulaires, telles que l'emblématique galaxie du Sombrero, font office de compromis entre les galaxies spirales et elliptiques. Là encore, leur nom fait référence à leur forme, celle d'une lentille : comme les galaxies spirales, elles se composent d'un disque étoilé relativement fin en rotation autour d'un bulbe central, mais sans bras en spirale. Comme les galaxies elliptiques, elles ne contiennent que peu de poussières ou de matière interstellaire et semblent se former le plus souvent dans les régions les plus densément peuplées de l'espace.

Les galaxies qui ne rentrent dans aucune de ces trois catégories sont appelées galaxies irrégulières, c'est le cas des Grand et Petit Nuages de Magellan qui bordent notre Voie lactée. Les galaxies irrégulières ne suivent pas de forme particulière, elles donnent simplement l'impression d'être déformées, souvent parce qu'elles subissent l'influence gravitationnelle d'autres galaxies voisines. Elles sont riches en gaz et poussières, ce qui fait d'elles d'excellentes pouponnières d'étoiles.

AMAS ET FUSIONS DE GALAXIES

Certaines galaxies existent seules ou en système binaire, mais la plupart font partie d'ensembles plus grands connus sous le nom de groupes, amas et superamas. Par exemple, notre Voie lactée s'inscrit dans le Groupe Local qui s'étend sur 10 millions d'années-lumière environ et inclut notamment la galaxie d'Andromède et ses satellites. Le Groupe Local et son amas voisin de galaxies, l'amas de la Vierge, font tous deux partie du plus vaste superamas de la Vierge, une concentration de galaxie s'étalant sur près de 100 millions d'années-lumière. Le superamas de la Vierge appartient quant à lui à Laniakea, un superamas encore plus grand composé de 100 000 galaxies que les astronomes ont défini en 2014.

Les galaxies contenues dans les amas interagissent et fusionnent souvent l'une avec l'autre dans une chorégraphie cosmique hautement dynamique où l'interaction gravitationnelle tient le premier rôle. Lorsque deux galaxies se télescopent et s'entremêlent, des gaz peuvent être projetés vers le centre galactique, ce qui déclenche en retour divers phénomènes comme la formation d'étoiles en accéléré. Notre propre Voie lactée fusionnera avec la galaxie d'Andromède dans 4,5 milliards d'années environ.

Puisque les galaxies elliptiques contiennent des étoiles plus âgées et moins de gaz que les galaxies spirales, il semblerait que la morphologie d'une galaxie fasse partie intégrante de son évolution : à mesure que les galaxies spirales vieillissent, interagissent et fusionnent avec d'autres galaxies, elles perdraient leur forme caractéristique pour devenir des galaxies elliptiques. Cependant, certains détails occupent encore aujourd'hui les astronomes, comme les schémas que semblent suivre les galaxies elliptiques en matière de luminosité, de taille et de composition chimique.

ORIGINES DES GALAXIES

Les premières étoiles de l'univers se sont embrasées environ 180 millions d'années après le Big Bang, l'événement explosif survenu il y a 13,8 milliards d'années qui marque les origines de l'univers tel que nous le connaissons. Lorsque l'univers passa le cap des 400 millions d'années, soit 3 % de son âge actuel, la gravité avait donné leur forme aux premières galaxies.

À quelques exceptions près, les astronomes pensent aujourd'hui que toutes les galaxies seraient entourées d'immenses halos de matière noire. Les modèles théoriques suggèrent par ailleurs que dans les premiers jours de l'univers, de vastes filaments de matière noire procuraient à la matière normale l'échafaudage gravitationnel dont elle avait besoin pour s'amalgamer et donner naissance aux premières galaxies.

La formation des galaxies reste toutefois sujette à débat. Certains pensent que les galaxies se sont formées à partir de petits amas ne dépassant pas le million d'étoiles, appelés amas globulaires, pendant que d'autres soutiennent que les galaxies sont apparues les premières pour ensuite former les amas globulaires. Il est également difficile de déterminer pour une galaxie donnée la proportion d'étoiles formées in situ, à partir de ses propres gaz, par rapport à celles nées dans d'autres galaxies puis arrivées plus tard.

En offrant aux astronomes la possibilité de scruter les contrées les plus éloignées de l'univers et, par la même occasion, ses plus jeunes années, des instruments comme le télescope spatial James-Webb de la NASA devraient permettre de résoudre les questions encore en suspens.

Cet article a initialement paru sur le site nationalgeographic.com en langue anglaise.