Une galaxie est une concentration d’étoiles réunies par la force de gravité. Il y en a de plusieurs sortes, certaines « vives » (qui donnent de nouvelles étoiles) et certaines « passives » (qui n’en donnent pas ou très peu). Toutes évoluent depuis l’origine des temps, en interne et des fois mais de moins en moins, par des rencontres ou plutôt des collisions car l’Espace est grand mais les galaxies aussi et la force de gravité omniprésente. En fin de compte, comme tout objet créé, elles mourront.
Les trois grandes catégories de galaxies sont les elliptiques, les spirales, les irrégulières. Comme on le constate les distinctions sont purement descriptives. Edwin Hubble qui a compris en 1920 que ce qu’on appelait « les nébuleuses » étaient d’autres Voies-lactées en dehors de la nôtre, avait établi en 1926 une « séquence » qu’il pensait correspondre à leur évolution (voir illustration de titre). Il partait de l’elliptique la plus sphérique en allant vers la plus ovale pour passer ensuite aux deux branches des spirales (« barrées » ou non), d’autant plus évoluées que leurs bras étaient plus ouverts. Nous n’en sommes plus là car il semble aujourd’hui que les elliptiques n’ont probablement pas précédé les spirales mais qu’au contraire elles résulteraient de leur fusion (beaucoup moins nombreuses aujourd’hui qu’au début de l’histoire des galaxies, du fait de l’expansion de l’Univers) !
Tout d’abord il faut dire qu’on comprend mieux qu’à l’époque de Hubble la logique qui préside à la formation des galaxies. Au départ (Big-bang+380.000 ans), les anisotropies (irrégularités) de la Surface-de-dernière-diffusion (lors de la libération de la lumière) induisent des fluctuations de densités dans les gaz primordiaux (presque uniquement hydrogène et un petit peu d’hélium) qui se concentrent progressivement en nuages distincts au fur et à mesure que l’expansion les séparent et que la température baisse. La force de gravité agit sur les masses, la densité des nuages plus froids augmente et des protogalaxies se forment. A l’intérieur de ces protogalaxies, les irrégularités de la distribution du gaz, toujours causées par la gravité, provoquent des concentrations plus fortes (et donc de plus en plus de chaleur plus on va vers le centre) qui donnent naissance aux étoiles tout en laissant entre elles d’abondants nuages de gaz. On atteint ainsi le stade des premières galaxies, qui se différencient des nuages précisément parce qu’elles contiennent des étoiles. Ces premières galaxies sont dites « sombres » non parce qu’elles ne sont pas lumineuses (bien qu’au début, elles doivent contenir peu d’étoiles) mais tout simplement parce qu’elles sont dissimulées par le brouillard prévalant pendant la période (d’où l’expression « d’Ages-sombres »).
Au sein des galaxies les étoiles sont entrainées par la force de gravité dans une rotation autour de leur centre qui a priori contient toujours un trou-noir (de masse proportionnelle à la galaxie) comme un système planétaire est centré autour d’une étoile, en raison de la densité plus forte au centre. Une première distinction entre les galaxies elliptiques et les spirales est que dans ces dernières le mouvement des étoiles ne s’effectue pas principalement dans le plan d’un disque mais dans de multiples plans autour du centre ponctuel. Une galaxie elliptique n’est pas « plate » comme une galaxie spirale mais tridimensionnelle (en “oubliant”, pour simplifier, le bulbe).
A l’intérieur d’une galaxie, les étoiles se forment, de masses différentes selon la disponibilité et la densité du gaz. « Il y a de tout », des grosses et des petites, depuis les naines brunes (0,08 masses solaires) jusqu’aux géantes (8 à 100 masses solaires…et plus) en passant par les naines jaunes (0,6 masses solaires et jusqu’à 8 masses solaires) et par les naines rouges (entre 0,08 et 0,6 masses solaires). Lorsqu’elles sont « massives » elles explosent très vite (après deux ou trois millions d’années seulement) répandant leur matière à des vitesses relativistes (pourcentage relativement élevé de la vitesse de la lumière, disons à partir de 10%), comprimant ainsi les nuages de gaz subsistant dans leur environnement et provoquant de nouvelles concentrations de matière donc d’étoiles. Notre Soleil est né comme cela après la mort par supernova d’une étoile géante qui a très probablement donné aussi naissance à une ou des étoiles sœurs dont on a perdu la trace car chacune était animée d’une vitesse différente sur une trajectoire différente, ou bien parce que l’une d’entre elle(s) était une étoile géante et qu’elle est morte depuis très longtemps.
Les galaxies elliptiques, sphériques ou oblongues, sont de tailles très variables (de 3.000 à 700.000 années-lumière de diamètre) en fait certaines sont beaucoup plus grandes que les plus grandes des galaxies spirales (de 50.000 à 200.000 années-lumière). Mais la caractéristique principale est qu’elles sont pauvres en gaz. Elles sont donc très peu propices à la naissance de nouvelles étoiles. Cela sous-entend aussi qu’elles contiennent peu d’étoiles massives puisque ce sont celles qui rassemblent puis qui diffusent le plus de matière dans leur environnement, et qu’elles ont une vie courte. Elles contiennent donc également beaucoup de vieilles étoiles (lumière tendant vers le rouge).
Les galaxies spirales sont des galaxies « vivantes », à l’intérieur desquelles les brassages sont nombreux, la raison principale étant l’abondance des nuages d’hydrogène. Ces nuages sont des pépinières d’étoiles qui s’expriment par de nouvelles naissances lors de chaque contraction occasionnée par un événement tel qu’une supernova, particulièrement fréquentes dans les régions denses près du centre ou dans les bras spiraux. Ces étoiles jeunes et plutôt massives brillent plutôt en bleu. Cette jeunesse implique que la métallicité (richesse en éléments plus lourds que l’hydrogène ou l’hélium) est beaucoup plus élevée dans les spirales que dans les elliptiques.
Mais les galaxies ne contiennent pas que de la matière baryonique et du vide. Une des raisons qui ont mis les astrophysiciens sur la piste de la matière noire est que la vitesse de rotation des étoiles distantes du centre galactique des étoiles spirales (comme par exemple le Soleil qui se trouve à 26.000 années-lumière du centre de la Voie-Lactée qui a un rayon de quelques 50.000 années-lumière) est telle qu’elle serait au sein d’une masse beaucoup plus étendue. La masse s’étendant bien au-delà des limites visibles du disque, serait la fameuse « matière noire » (qui pourrait aussi être présente à l’intérieur du disque) NB: on ne parle pas ici d’antimatière qui doit être très rare dans l’Univers puisque détruite en quasi totalité “dans l’oeuf” mais de matière noire.
Si l’on peut dire que les galaxies sont vivantes c’est que leurs étoiles le sont, c’est-à-dire que non seulement elles naissent mais qu’aussi elles meurent. J’ai déjà parlé des étoiles massives qui enrichissent leur environnement mais il y a aussi les naines-jaunes comme notre Soleil, dont la maturation est très longue et aussi les naines-rouges ou les naines-brunes, toutes deux très nombreuses et dont la maturation est encore plus longue. Les naines-jaunes vont nourrir l’espace comme leurs sœurs géantes avec les éléments « métalliques » qu’elles auront produits et donner in-fine des naines-blanches (constituées de « matière électronique dégénérée »). Les naines rouges et les naines brunes vont évoluer, c’est-à-dire se refroidir, très lentement, pour donner toutes, un jour, comme les naines-blanches, des naines-noires. Les naines-rouges et les naines-brunes sont donc en partie l’expression de la vie des galaxies mais elles y contribuent très peu. Petit à petit (mais dans très longtemps) ces étoiles mortes seront absorbées par le trou-noir central de leur galaxie, et les astres errants hors galaxies (il y en a, évidemment difficile à observer !) seront dispersés dans le vide. Un jour, tous les feux seront éteints dans un Univers désert (l’expansion accélérée va éloigner de plus en plus les galaxies puis les astres les uns des autres) et très froid.
Un autre facteur d’enrichissement et d’évolution est celui des collisions de galaxies. C’est le jeu des forces gravitationnelles combinées à celle de l’expansion qui les provoque. Les galaxies se fuient les unes les autres en raison de cette dernière, sauf celles qui sont en relation gravitationnelle du fait de leur proximité et de leurs masses. Ainsi la Voie Lactée et sa voisine la Galaxie d’Andromède se rapprochent à 130 km/s et « un jour » (dit-on dans 4 ou 5 milliards d’années) elles fusionneront (ce qui, en passant, donnera lieu à la création d’une « galaxie irrégulière » et peut-être ultérieurement d’une galaxie elliptique) mais toutes les deux, partie de l’amas de la Vierge, lui-même partie du vaste superamas « Laniakea », foncent ensemble dans la même direction, le cœur de ces deux super-structures.
A une même époque, la nôtre ou plutôt quelques centaines de millions d’années avant (puisqu’on ne peut observer notre Univers contemporain de fait de la courbure de notre regard résultant de la limitation de la vitesse de la lumière), l’espace apparaît homogène. En réalité s’il l’est bien à petite échelle, il ne l’est pas à grande échelle. A petite échelle en effet on trouve des galaxies de toutes sortes avec des étoiles de tout âge selon une répartition aléatoire mais in fine, homogène. A contrario, à grande échelle une galaxie elliptique avec son gaz rare et ses vieilles étoiles ne va pas du tout ressembler à une spirale voisine avec son gaz abondant et ses jeunes étoiles; de même pour telle étoile avec son étoile voisine.
Si l’on considère l’Univers non plus dans l’espace contemporain mais dans la profondeur du temps, on peut constater comme toujours, qu’il est marqué par l’évolution, et que l’homogénéité d’aujourd’hui n’est pas celle d’hier. Quelle que soit la période considérée, le terme de « fractal » pourrait sembler s’appliquer plutôt bien pour le décrire (selon Wikipedia « un objet géométrique infiniment morcelé dont les détails sont observables à une échelle arbitrairement choisie »). Mais ce n’est qu’une impression car si l’on considère la forme, la taille, la masse, l’ancienneté ou la jeunesse de chacune en la comparant aux autres, on peut constater que certes les galaxies de même type ou sous-type se ressemblent mais qu’elles ont toutes leur « personnalité ». En fait elles sont toutes différentes, comme les étoiles ou les êtres humains.
Dans le même esprit, je veux devancer un commentaire. Cette grande homogénéité à petite échelle et cette grande diversité à grande échelle pour une même période ne permet pas de préjuger de la fréquence du phénomène de la vie. Comme je l’ai déjà écrit plusieurs fois dans ce blog, je considère que ce dernier résulte d’un concours de circonstances tout à fait extraordinaires dont nous avons bénéficié, un épiphénomène (au regard de l’Univers) qui ne s’est peut-être pas produit ailleurs. J’aurais tendance à plutôt dire « sans doute pas » tout en espérant un jour être contredit par la réalité ! De nouveaux instruments, tels que le télescope de 30 mètres (TMT) qui devrait être construit au sommet du Mauna Kea (Hawai), nous permettront peut-être d’en savoir davantage. « Ce qui est bien » en astronomie/astrophysique c’est qu’on est toujours dans l’attente et l’espérance portées par des progrès technologiques absolument extraordinaires qui « vont arriver demain » !
https://www.space.com/thirty-meter-telescope-hawaii-volcano-maunakea-opposition.html
Illustration de titre :
La séquence de Hubble. Esthétiquement satisfaisante mais scientifiquement contestable car les galaxies elliptiques semblent aujourd’hui résulter de la fusion de galaxies spirales.
Meilleurs voeux pour 2021 !
Pour retrouver dans ce blog un autre article sur un sujet qui vous intéresse, cliquez sur :
Bonjour,
Je lis avec beaucoup d’intérêt vos articles, mais suis complètement égaré avec la notion du TEMPS!
On observe à l’instant “t” depuis chez nous des phénomènes qui l’un se passe à 10 Milliards AL et le comparons avec d’autres événements qui sont à 500’000 Mia AL, car c’est ce que nous voyons depuis “t”.
Eventuellement ces 2 “objets” n’existent plus depuis des Mia AL, mais on reçoit encore leurs images pour une éternité.
Pareil pour la Voie Lactée et sa voisine la Galaxie d’Andromède se rapprochent à 130 km/s, qui sont éloignées de nous de XYZ’0000 Mia AL et nous ne pouvons pas imaginer quels autres phénomènes sont apparus depuis (ie trou noir massif).
Merci pour votre éclairage.
Bonne année
Bonjour et merci pour votre intérêt pour mon blog.
Tout d’abord je ne comprends pas ce que vous voulez dire par “Mia”, abréviation généralement utilisée pour les milliards. Aucune lumière ne nous parvient de plus de 13,8 milliards d’années lumière puisque c’est à cette époque que la première lumière a pu se libérer de la matière. Par ailleurs du fait de l’expansion de l’Univers , une lumière qui aurait été émise à une distance supérieure ne pourrait pas nous parvenir car entre nous l’espace se dilaterait à une vitesse supérieure à celle de la lumière.
Dans notre environnement plus proche, nous ne savons effectivement pas si les lumières que nous voyons proviennent de sources qui existent encore maintenant. Bételgeuse qui se trouve à quelques 600 années lumière a ainsi peut-être disparu en supernova il y a de longues années mais nous ne le saurons que lorsque nous recevrons la lumière de cet évènement c’est à dire quelques 600 années après qu’il ait eu lieu.
Merci, effectivement les Mia sont en trop!
Il n’empêche que l’on étudie des objets qui ont forcément changé depuis le temps et d’autres phénomènes sont certainement apparus. Science passionnante mais qui est plutôt incertaine!
Exactement on ne peut percevoir que les phénomènes dont nous avons pu recevoir le “message”, que ce soit les ondes électromagnétiques, dont la lumière, ou d’autres émissions (neutrinos, ondes gravitationnelles). De toute façon, toutes ces émissions sont absolument limitées par la vitesse de la lumière.
Non, il n’y a pas d’incertitude ! Car passé, présent et futur sont relatifs, c-à-d. dépendent de chaque observateur. La Lune que l’on contemple dans notre présent est telle qu’elle était il y a une seconde dans son passé, le Soleil à 8 minutes, Andromède à 2 millions d’années et le rayonnement radio du fond cosmologique à 13,8 milliards d’années. Ainsi nous voyons dans notre présent le passé d’Andromède ; son présent est dans notre futur et ce sera alors aussi son passé. En contre partie de ce désavantage de ne pas connaître dans notre présent le présent de ces astres, cela nous donne l’insigne avantage d’avoir sous les yeux toute l’histoire de l‘Univers. Si la vitesse de la lumière était infinie, nous ne connaîtrions que son présent et il serait impossible d’en faire l’histoire et d’en comprendre les mécanismes à l’oeuvre dans son évolution.
Merci pour votre blog toujours aussi passionnant et celui de ce samedi avec ses commentaires souvent très pertinents me font une bonne révision de mes lectures passées que je comprends un peu mieux. Les conditions ayant permis la survenue de la vie restent encore une énigme. En attendant, bonne année à tous.
Pendant des milliards d’années et des milliards d’étoiles, il a pu se passer beaucoup de choses, comme des civilisations qui naissent et disparaissent.
Peut-être que d’autres sont parvenues à passer à un stade supérieur depuis des millions d’années et ont choisi de nous laisser poursuivre notre évolution sans intervenir (UFO). Il y a déjà eu certains témoignages troublants, mais sans être du tout un adepte….ni un connaisseur.
Là je ne suis pas vraiment d’accord. Le monde évolue et ses éléments sont très divers quand on regarde de près. L’émergence de la vie n’était pas possible dans un Univers pauvre en métaux tel qu’il était il y a plusieurs milliards d’années. La vie ne serait pas possible dans une galaxie elliptique ou dans une galaxie spirale trop près ou trop loin du centre. Et si la vie à été possible ailleurs, comment ces êtres semblables à nous pourraient ils nous atteindre par delà les années lumière? Peut-être un jour à moins de dix années lumière ?
Non la vie ailleurs n’est pas du tout évidente et les contacts le sont encore moins…mais je ne veux pas vous empêcher de rêver!
J’ai traité le sujet à de multiples reprises dans mon blog. Je vous invite à le lire en consultant l’index en bas de page.
Chacun ses croyances (ou rêves),
Mais je n’ai jamais dit “.. ces êtres semblables.. ” et on ne peut pas à priori exclure que Dieu n’ait pas pu imaginer d’autres d’autres “formes de Vie”.
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Trinh Xuan Thuan : “Il serait improbable que nous soyons seuls dans l’univers”
http://bit.ly/355FTZD
La Voie Lactée, notre galaxie, compte au moins 200 milliards d’étoiles. Avec la découverte d’exo planètes, on pense qu’une étoile sur 2 possède au moins un corps dans son orbite, sinon un système planétaire ce qui ferait donc au moins 100 milliards de planètes. Et sachant que l’univers observable compte au moins 200 milliards de galaxies, cela nous donne donc : 100 milliards de planètes X 200 milliards. Pensez-vous vraiment possible que la vie n’existe pas ailleurs ?
Face à ces chiffres, je pense en effet que la vie devrait exister « ailleurs ». Il serait extrêmement improbable que nous soyons les seuls dans l’univers. Et cette idée n’est pas nouvelle. Dès 1600, l’Eglise a condamné le moine dominicain Giordano Bruno à périr au bûcher pour avoir osé proposer que l’univers était infini et peuplé d’une infinité de mondes habités par une infinité de vies qui toutes, chantaient la gloire de Dieu. Encore faut il s’entendre sur ce dont nous parlons. Nous envisageons le vivant selon nos critères, les seuls que nous connaissons. Mais rien ne dit que « la vie » n’existe pas sous des formes qui nous sont encore inimaginables. Notre civilisation a envoyé un signal radio en direction d’un amas globulaire, un ensemble de quelques centaines de milliers d’étoiles liées par la gravité, mais qui est à 23 000 années-lumière de nous. Donc le signal n’est pas encore arrivé. Encore moins la réponse. Mais certains biologistes, devant la complexité du vivant, pensent au contraire que la vie n’est apparue qu’une seule fois et que nous sommes seuls dans l’univers.
Avec vos chiffres, si la Terre était l’unique planète habitée dans l’Univers observable, ce serait dans l’ordre de 1 sur 2 10^22.
De fait plusieurs calculs de probabilité existent.
Voir pour commencer l’équation de Drake, posée en 1961, qui est le produit de 7 facteurs :
https://fr.m.wikipedia.org/wiki/Équation_de_Drake
Voir aussi le paradoxe de Fermi formulé en 1950 :
https://fr.m.wikipedia.org/wiki/Paradoxe_de_Fermi
Cette équation a été modifiée par Sara Seager en 2013 pour une estimation dans notre seule Galaxie, avec « seulement » 6 facteurs :
https://fr.m.wikipedia.org/wiki/Sara_Seager#L'équation_de_Seager
Edwin Hubble n’est de loin pas le premier à comprendre que les galaxies sont d’autres Voies Lactées.
Dans une publication d’Immanuel Kant trop longtemps méconnue et mal comprise, “Histoire Générale de la Nature et Théorie du Ciel” (1755), Kant est le premier à exprimer clairement plusieurs faits confirmés bien plus tard par la méthode scientifique:
1) La Voie Lactée est un disque aplati tournant composé d’étoiles en équilibre gravitationnel, dont le soleil, avec ses planètes, font partie. Kant était au courant de la théorie de la gravitation de Newton (~1700) et que le système solaire avec ses planètes tournant dans un plan, ainsi que les systèmes de Jupiter et Saturne et leurs satellites, formaient aussi des sortes de disques aplati tournants tenus par la gravité. Donc les lois de Newton permettaient des disques de n’importe quelles dimensions, donc pourquoi pas la Voie Lactée à une échelle supérieure ne serait-elle pas aussi une sorte de disque tournant auto-gravitant que nous observerions depuis l’intérieur ?
2) Les étoiles tournent en première approximation autour d’un centre, mais ont aussi une composante de vitesse désordonnée, aléatoire, et oscillent de part et d’autre du plan du disque galactique. Kant se rendait compte que les étoiles bien plus nombreuses que les planètes du système solaire devaient suivre des orbites autres que des ellipses.
3) Kant imagina comment la Voie Lactée serait vue à une échelle encore plus grande. Kant était au courant des observations astronomiques les plus récentes. Au télescope certaines nébuleuses apparaissaient comme des taches floues elliptiques. Donc il pouvait supposer que ces nébuleuses “elliptiques” étaient d’autres Voies Lactées, elliptiques car vue comme des disques inclinés le long de la ligne de vue.
Il est remarquable que le visionnaire Kant, ~170 ans avant les astronomes, avait pu exprimer des faits bien établis scientifiquement seulement au cours du 20ème siècle. Même Pierre-Simon Laplace (~1800) et Henri Poincaré (~1900) n’avaient pas compris la partie galaxie du livre de Kant, pour eux la cosmogonie, l’origine du monde, était encore confinée à l’échelle du système solaire, ignorant les mondes stellaire, galactique, et extra-galactique.
4) Kant aussi prévit que la formation des étoiles et galaxies se passe à partir de fluctuations d’un milieu initialement homogène, les fluctuations étant amplifiées et condensées par la gravitation. La seule différence avec nos connaissances actuelles est que Kant pensait à un milieu gazeux statique, pas à un milieu en expansion. Laplace et Poincaré, qui ne pensaient pour le système solaire qu’à la formation d’un seul disque par écroulement d’un nuage de matière objectèrent que le modèle de Kant est physiquement impossible à cause de la conservation du moment cinétique (“la quantité de rotation”), propriété que Kant ignorait. Mais Kant pensait à la formation hiérarchique de nombreux “univers-îles” et non pas à un seul, auquel cas l’objection tombe, une condensation tourbillonnaire peut amplifier sa rotation dans un sens pendant qu’une autre fait de même mais dans le sens opposé : le moment cinétique total initialement nul le reste, est bien conservé. Kant avait raison car il pensait en termes modernes multi-échelle, alors que Laplace et Poincaré étaient restés à un scénario mono-échelle.
Après de grands débats dans les années 1920-1930 les astronomes arrivèrent collectivement aux mêmes conclusions que Kant en 1755, Hubble contribuant à l’effort des astronomes, pas comme le seul découvreur du monde extra-galactique. Au cours des décennies ~1900-1940 les astronomes fixèrent par exemple les dimensions de la Voie Lactée et son centre dans la constellation du Sagittaire, et une ébauche de compréhension de la morphologie spirale dans des galaxies débuta seulement dans les années 1960 et n’est pas encore accomplie aujourd’hui.
La découverte de l’expansion de l’univers attribuée pendant longtemps à Hubble est maintenant reconnue comme étant celle du Belge Georges Lemaître 2 ans auparavant en 1927, alors que Hubble connaissait les travaux de Lemaître. Hubble, juriste de formation, et excellent sportif, était probablement meilleur tacticien que les autres astronomes pour accéder aux télescopes les plus performants, et meilleur publiciste pour faire connaître ses travaux.
Bien compris que vous n’avez pas une estime particulière pour Hubble qui est pourtant le premier astronome qui ait fait un travail sérieux sur les galaxies (mais bien sûr d’accord avec vous pour reconnaître que le concept remonte à Emmanuel Kant).
Je ne comprends pas que vous évoquiez la possibilité que les étoiles ne parcourent pas une ellipse autour du centre de leur galaxie. Il me semble cependant bien que ce soit le cas.
Par ailleurs veuillez notez que dans une représentation à “grande” échelle on a le regard plus éloigné de l’objet observé que dans une représentation à “petite” échelle. On voit moins de détails et l’étendue considérée est d’autant plus faible que l’échelle est grande.
En effet Hubble est un opportuniste, sans le génie imaginatif d’un Zwicky par exemple. Hubble est plutôt doué pour capter les idées en l’air du moment et se les approprier. Heureusement il existe maintenant des recherches historiques plus fouillées montrant comment Hubble a très souvent ignoré ses prédécesseurs alors qu’il connaissait leurs travaux, et s’en est attribué les idées originales. Par exemple dans la fameuse figure où Hubble montre la relation entre la distance et la vitesse des galaxies (Hubble 1929) 20 des 24 points ont des vitesses obtenues par Slipher, mais Hubble n’en dit rien.
Hubble s’est attribué des découvertes sans correctement donner les attributions attendues pour au moins quatre sujets :
– la confirmation de l’hypothèse des univers-îles,
– la classification des galaxies (la fameuse séquence de Hubble en diapason),
– la relation entre la distance et la vitesse d’éloignement des galaxies,
– le profile de lumière des galaxies.
Un des articles historiques contenant des références aux autres travaux recadrant la contribution de Hubble est :
“Dismantling Hubble’s Legacy?”, Michael J. Way, 2013, dans “Origins of the Expanding Universe: 1912-1932”,
ASP Conference Series, Vol. 471, Michael J. Way and Deidre Hunter, eds. c 2013 Astronomical Society of the Pacific.
(http://www.aspbooks.org/a/volumes/article_details/?paper_id=35210)
Concernant les orbites des étoiles tournant autour du centre d’une galaxie, elles ne suivent pas du tout des ellipses mais en première approximation des rosettes (http://www.scholarpedia.org/article/Galactic_dynamics)
Vous avez raison de mentionner ces antériorités et en particulier la contribution prioritaire de 2 ans et fondamentale en la matière du chanoine Georges Lemaître. Sur cet aspect historique, je citerais aussi l’excellent ouvrage d’un astrophysicien suisse : « Discovering the Expanding Universe », par Harry Nussbaumer (Institute of Astronomy, ETH Zurich) et Lydia Bieri (Department of Mathematics, Harvard University), Cambridge University Press, 2010, 225 p., qui rend bien à César ce qui est à César !
Bien noté vos observations sur Edwin Hubble. Je connaissais sa réputation d’arrogance mais j’ignorais ce que vous écrivez sur sa malhonnéteté intellectuelle. Les ouvrages que vous citez seront une lecture intéressante et utile pour tous. Merci.
Pour ce qui concerne le parcourt des étoiles autour du Centre galactique, ce qui m’importe ici est qu’elles tournent bien autour de ce Centre en en restant à la même distance et à une vitesse constante donc prévisible.
Ce qui me semble plus intéressant que la figure géométrique de “rosette” par rapport à celle d'”ellipse” au sens stricte (la différence est quand même négligeable dans un article de vulgarisation), c’est (1) de savoir que le Soleil fait régulièrement le tour du Centre galactique en quelques 240 millions d’années et (2) que du fait des fluctuations régulière dans le parcourt de son orbite, le Soleil passe régulièrement, en dessus et en dessous du disque galactique (très légérement bien sûr). J’ai lu “quelque part” que ces différences de situation pouvait avoir une incidence non négligeable sur les radiations (GCR, Galactic Cosmic Rays) reçues par le Système solaire (le disque faisant obstacle ou non aux radiations reçues du Centre galactique ou du Bulbe). Si vous avez une contribution à faire sur ces différences d’exposition aux radiations, merci de nous en faire part (je crois comprendre que vous enseignez au département d’Astrophysique de l’Université de Genève et vous avez sûrement une compétence particulière sur le sujet).
PS: Je n’ai aucun doute sur l’antériorité de la réflexion et des travaux de Georges Lemaître sur le sujet de l’expansion de l’Univers. Merci de l’avoir rappeler mais ce n’était pas vraiment au coeur de mon sujet.
En fait aucune étoile orbitant le Centre Galactique ne tourne sur un cercle à vitesse constante. Comme pour les planètes, les orbites circulaires ne sont qu’une première approximation. Ensuite la trajectoire de rosette n’est qu’une deuxième approximation, car des influences majeures la perturbent:
1) les bras spiraux locaux, et
2) la barre tournante stellaire d’environ 10 kpc de longueur. Notre propre Galaxie est en effet une galaxie barrée, un fait établit progressivement depuis les années 1990.
Il se trouve que la barre tourne avec une vitesse différente que celle des bras spiraux, et les bras spiraux ne sont pas permanents, mais se dissolvent et se reforment sur des durées de quelques milliards d’années. La barre perturbe les bras spiraux et vice-versa, la barre étant plus stable que les bras spiraux mais pouvant aussi changer de structure après quelques milliards d’années en prenant une forme de coussin quand vue par la tranche (nommée “peanut” en Anglais).
Ces variations temporelles de la structure de la Galaxie perturbent ainsi constamment les trajectoires des étoiles, les rendant actuellement imprévisibles sur des milliards d’années. Ainsi le système solaire pourrait très bien être né il y a 4.567 milliards d’années à une distance très différente de la distance actuelle du centre de quelque 8 kpc, peut-être à quelque 5 kpc (à cause de l’abondance de ses éléments chimiques lourds). Au cours du temps et suite aux perturbations les étoiles diffusent de part et d’autre de leur rayon de naissance de plusieurs kpc typiquement. Ces faits ont été bien établi par simulations numériques depuis des années, entre autre à l’Observatoire de Genève.
Pour le Soleil, son orbite est actuellement plus ou moins bien établie avec les données les plus récentes du satellite Européen Gaia pour même pas une rotation galactique. En effet les incertitudes concernant la structure de la Galaxie rendent encore de telles extrapolations difficiles. Mais il est clair que statistiquement le système solaire oscille radialement et transversalement de l’ordre de 100 pc autour d’une orbite circulaire fictive. Nous sommes actuellement très proches du plan principal, mais au cours des centaines de millions d’années précédentes la Voie Lactée devait avoir une apparence fort différente. Quand vue le plus hors du plan, la barre/bulbe centrale devient plus apparente, et la poussière interstellaire moins bloquante au panorama qu’offre le disque de la Galaxie. Statistiquement il doit arriver que le système solaire pénètre à l’intérieur d’un nuage moléculaire très opaque, alors le ciel devient très noir et dépourvu de la plupart des étoiles et de la Voie Lactée. L’astronomie serait alors très différente !
Il existe des travaux essayant de corréler ces mouvements du système solaire à travers le disque de la Galaxie avec des changements climatiques ou des impacts d’astéroïdes ou comètes, mais pour l’instant rien n’est très probant. Un des facteurs possibles d’influence du climat sont les rayons cosmiques galactiques, qui sont des sous-produits des étoiles massives. On peut bien s’attendre à ce que le flux de rayons cosmiques varie au cours des âges car aussi bien la quantité d’étoiles massives que leurs distances doivent être variables. Donc il se pourrait que la distance du système solaire au plan galactique imprime une modulation au flux de rayons cosmiques, mais pour l’instant je ne connais pas de preuves observationnelles claires démontrant cet effet.
Merci Monsieur Pfenniger pour cette belle mise au point!
Par les mêmes auteurs on pourra lire l’essentiel sur 4 pages dans cet article :
« Who discovered the expanding universe? », The Observatory, 131 (1225), 394-398 (2012), accessible aussi ici sur arxiv :
https://arxiv.org/pdf/1107.2281.pdf
Bonjour Christophe,
Puis-je revenir sur votre intéressante réponse:
Avec vos chiffres, si la Terre était … (ce ne sont pas mes chiffres mais un article).
Toutefois j’avoue ne pas comprendre vos références de statistiques!
Quel est votre message?
Impossible de trouver d’autres vies ou alors bonne probabilité?
Merci pour votre éclairage.
Mon premier calcul, avec le chiffre de 2 10^22 étoiles, ne voulait que montrer ce que représenterait l’hypothèse d’une seule vie civilisée dans l’Univers en terme de probabilité extrême (0.5 10^-22). Toutes les autres probabilités calculées selon Drake ou Seager avec leurs divers facteurs à prendre en compte sont évidemment plus élevées.
Je vous recommande cette page de wikipedia :
https://en.wikipedia.org/wiki/Rare_Earth_hypothesis
qui passe en revue les différentes hypothèses, y compris les réflexions de Fermi, de Drake et de Seager.
Oui ces références de Nussbaumer et Bieri sont intéressantes et utiles, et résument tout un livre sur le sujet de la découverte de l’expansion de l’Univers (la référence du livre figure dans le dernier article).
Merci pour cet article, comme les précédents, intéressant et captivant. Bonne année aussi à son auteur ainsi qu’à toutes et tous ceux qui le lisent.
J’ai une question :
Si je vous ai bien compris, toute galaxie contient un trou noir et ce trou noir serait antérieur à la galaxie elle-même. Ne peut-on pas penser l’inverse ? Au fur-et-à-mesure des explosions d’étoiles, parmi les morceaux produits, ceux qui sont trop petits pour donner de nouvelles étoiles finiraient, sous l’effet de la gravitation, par tomber les uns sur les autres jusqu’à donner un trou noir. Pour qu’une étoile s’allume, la masse ne suffirait pas mais il faudrait aussi tenir compte de la cinétique. Si la masse n’augmente pas assez vite, la température resterait insuffisante pour donner une étoile mais finirait par devenir un trou noir de plus en plus massif. Mais c’est le raisonnement d’un chimiste et non d’un astrophysicien.
Dans la même optique, s’il existe des naines brunes très petites, disons de l’ordre de 0,01 masse solaire ou même moins, ne pourraient-elles pas déjà être des naines noires qui seraient indétectables et qui pourraient représenter une partie de la matière dite noire.
Merci cher Monsieur pour votre commentaire. Je vais tenter de répondre à vos deux questions:
Sur le premier point, à mon avis, la concentration de matière causée par la force de gravité va entrainer un mouvement en spirale avec des tourbillons et de ces tourbillons naitront les étoiles puis les trous-noirs. Je pense que les étoiles précédent (j’ai dû mal m’exprimer dans mon article) les trous-noirs (sauf les micro-trous-noirs primordiaux) puisqu’il faut moins de masse pour qu’elles se forment. Très vite des trous-noirs vont se former au centre des galaxies du fait de la densité de matière (constituée en étoiles massives et en gaz). Cependant, dans l’Univers primitif, la densité de matière est beaucoup plus élevée que dans l’Univers contemporain puisque l’expansion de l’Univers n’a pu encore la dissiper suffisament. Donc très rapidemment, ou fréquemment, les étoiles géantes fusionnent et créent des trous-noirs relativement très importants par rapport à leur galaxie, les fameux quasars. Observés de loin, comme nous le faisons, nous ne voyons évidemment pas les trous-noirs de ces quasars mais la matière surchauffée, dont des étoiles massives, qu’ils absorbent.
2) Les naines brunes ne sont pas des astres morts, ils sont simplement des astres lents. Ils évoluent très lentement puisqu’ils n’ont pas la masse suffisante pour alimenter une fusion dynamique et cette fusion est assez diffuse dans l’ensemble de l’astre (moins concentrée dans le noyau). D’après les astrophysiciens le processus de fusion (et sans doute de désintégration des éléments radioactifs qu’ils contiennent) est néanmoins réel de telle sorte qu’ils générent toujours une chaleur qui les empéchent d’être des astres morts.
M. Louis,
Votre intuition est correcte, mais vos informations en partie incorrectes.
L’hypothèse parfois émise de trous noirs formés de manière ad-hoc peu après le big bang reste très peu justifiée. Il n’existe aucune estimation sérieuse que je sache prévoyant par exemple leur masse ou fréquence. Des observations, il n’est pas prouvé que les trous noirs centraux des galaxies sont antérieurs aux galaxies elles-mêmes, et de plus il est démontré que certaines galaxies, comme les nuages de Magellan, ou plusieurs galaxies sphéroïdales naines, n’ont pas de trou noir massif en leur centre. Comme un trou noir massif est supposé indestructible sur plusieurs milliards d’années, ou impossible à éjecter d’une galaxie sans un objet compact encore plus massif, un trou noir massif primordial n’est pas nécessaire pour former au moins certaines galaxies.
Par contre, le scénario inverse que vous évoquez, la formation de trous noirs massifs par fusion de trous noirs ou étoiles de masses inférieures, commençant par des trous noirs ou étoiles de masses stellaires, est tout à fait naturel. Les détections récentes des ondes gravitationnelles émises lors de fusions de trous noirs stellaires et étoiles à neutrons le montrent. L’étude de la croissance des trous noirs massifs par fusion de plus petits morceaux de matière (nuages de gaz, étoiles, trous noirs, etc.) est un sujet de recherche actif. Le scénario qui émerge est donc plutôt que les trous noirs croîssent au sein des galaxies grâce à l’apport favorable en ces lieux de matière.
Certaines galaxies massives résultent de la fusion de beaucoup de galaxies plus petites. Lors de ces fusions les trous noirs centraux respectifs se retrouvent très vite proches l’un des l’autre grâce au phénomène de friction dynamique (plus les trous noirs sont massifs par rapport au étoiles, plus ils perdent rapidement de l’énergie cinétique en faveur des étoiles). Quand la gravité mutuelle des trous noirs domine par rapport à celle des étoiles, la friction dynamique diminue d’intensité et ils se mettent en orbite l’un autour de l’autre, se rapprochant lentement l’un de l’autre jusqu’à la fusion. Il existe des galaxies observées avec un couple de trous noirs massifs proches en rotation l’un autour de l’autre, corroborant ce scénario.
La formation d’étoiles par contre est toujours vue comme le résultat de le contraction de nuages moléculaires très froids (< 10K). Le gaz interstellaire se refroidit en effet très vite spontanément par rayonnement de photons.
Les naines brunes (ou si l'on remonte plus dans le temps les naines blanches) jusqu'à leur découvertes ont en effet fait partie de la matière noire (de la matière indétectée contribuant à la gravitation de la Galaxie) pendant des années sans que l'on le sache. Cependant leur masse totale actuellement estimée contribue de manière toujours insuffisante pour expliquer la vitesse de rotation des galaxies. Il reste toujours un facteur 2 à 3 de matière à identifier dans notre Galaxie à l'intérieur d'un rayon de 25 kpc du centre, si l'on admet que la gravitation newtonienne ou einsteinienne est valide à cette échelle.
Il y a 26 ans avec Françoise Combes de Paris j'avais proposé que du gaz très froid (de l'hydrogène moléculaire) pourrait contribuer à cette matière noire dans les galaxies. Dans l'intervalle de l'hydrogène moléculaire auparavant inobservé a en effet été découvert, doublant la masse d'hydrogène moléculaire, mais toujours de manière insuffisante pour expliquer toute la matière noire. La question donc reste ouverte, et les autres candidats comme des particules de nature nouvelle sont encore crédibles. Par exemple la simple découverte que les neutrinos avaient une masse, même minuscule par rapport aux électrons, a doublé la matière identifiée dans l'univers ! Les nombreux neutrinos issus du big bang pèsent en effet autant que toutes les étoiles et gaz détectés jusqu'ici.
Merci à vous et à Pierre Brisson pour ces informations.
On connait la mort des étoiles , mais pas celle des galaxies !
Tout au plus savons-nous que les galaxies fusionnent entre elles et donc que leurs matières sont intégrées et mélangées pour n’en former plus qu’une et comme rien ne se crée ni rien ne se perd , la masse ou l’énergie restante restent identiques .
A la fin du processus, quand toute la matière devient fer ( ou avalée dans un trou noir), les réactions s’arrêtent jusqu’à la désintégration des protons eux-mêmes pour que tout reparte à nouveau … après un temps estimé à 10^34 années . Ça nous laisse du temps pour méditer ….
Pierre
Pourriez vous m’éclairer sur cet article vraiment bref et peu documenté sur la rotation des galaxies…. et de l’univers?
https://www.futura-sciences.com/sciences/actualites/univers-univers-t-il-ete-rotation-81320/
De là d’autres questions connexes:
– Toutes les galaxies s’éloignent-elles de notre galaxie de manière uniforme dans toutes les directions (sans songer que nous soyons au centre)?
– En fait, il y a-t-il un “milieu de l’univers”, je suppose qui soit le point d’origine du Big Bang?
Désolé, je ne peux pas commenter un article sur un sujet que je n’ai pas étudié.
Sur vos questions:
1) Non toutes les galaxies ne s’éloignent pas de la nôtre. Nous faisons parti d’un ensemble, le “groupe local”, et dans ce groupe, les deux plus grosses galaxies, Andromède et la Voie lactée se rapprochent. Les deux sont ensemble attirées par le centre extrêmement massif de l’amas de galaxies de la Vierge. La dilatation résultant de l’expansion de l’Univers joue d’une manière générale sur les dimensions de l’espace et les distances entre les galaxies qui ne sont pas liées par force de gravité, comme celles mentionnées ci-dessus, vont de plus en plus augmenter. A une certaine époque, lointaine, l’expansion aura même un effet sur les liens entre les galaxies liées par force de gravité mais cela arrivera dans très, très longtemps.
2) Nous ne savons pas quelle forme a le volume de l’Univers mais sans doute qu’il n’y a pas de milieu. En effet l’Univers est un espace illimité même s’il est fini (un début avec une fin). Certaines formes géométriques répondant à ces contraintes permettent de se l’imaginer. Quand nous regardons le ciel dans une direction quelconque, notre regard est irrémédiablement courbé vers le passé et in fine nous aboutissons au rayonnement fossile, celui qui a été émis lors de la libération de la lumière du plasma primordial et qui est partout le même, isotrope.
Bonjour, bonne année, et merci à M. Brisson et aux internautes participant à ce passionnant débat galactique.
Passionnant mais où je me sens souvent dépassé. Je relève deux phrases sur des sujets qui m’ont toujours intrigué et sur lesquels je serai très reconnaissant à quiconque qui pourrait m’éclairer.
– “Au départ (Big-bang+380.000 ans), les anisotropies (irrégularités) de la Surface-de-dernière-diffusion induisent des fluctuations de densités dans les gaz primordiaux” (art. initial du 2 janvier)
La théorie du bigbang faisant tout partir d’un point originel, en tout cas pour un profane comme moi, sait-on expliquer la présence d’irrégularités – certes bien nécessaires à la construction ultérieure du monde diversifié que nous connaissons – alors que, naïvement, on pourrait s’attendre à une parfaite symétrie ? Pourquoi après 380 000 ans une irrégularité en un lieu donné, et non pas en un autre ?
– “Du fait de l’expansion de l’Univers , une lumière qui aurait été émise à une distance supérieure ne pourrait pas nous parvenir car entre nous l’espace se dilaterait à une vitesse supérieure à celle de la lumière.” (1ère réponse de M. Brisson, aussi du 2 janvier)
Je comprends, peut-être à tort, la limite de la vitesse de la lumière comme une caractéristique géométrique de l’univers. Dès lors que la trame de l’univers, donc cette géométrie, est elle-même en expansion, y a-t-il une raison de penser, d’une part, que cette expansion “externe” soit elle-même bornée par cette “limite interne” de vitesse, et, d’autre part, que nous ne puissions alors pas recevoir le signal des points les plus éloignés entraînés par cette expansion, quand, dans une référentiel lié à cette expansion, ces points ne nous paraîtraient pas dépasser la vitesse de la lumière ?
Merci d’avance pour vos … lumières.
Merci Monsieur Baland de vos compliments et de vos questions intéressantes.
Sur le premier point, je pense qu’une expansion dans quelque fluide que ce soit génère des irrégularités. Je ne suis pas physicien mais j’imagine que le processus peut venir de différences de température, de pression ou de densité dans ce fluide, résultant de l’expansion elle même. C’est je crois ce qui génère en premier lieu les oscillations acoustiques des baryons (si un spécialiste de mécanique des fluides peut intervenir,je le remercie).
Sur votre second point, je reconnais que mon expression a peut-être été mauvaise. L’expansion de l’Univers est
sans doute limitée par la vitesse de la lumière (actuellement, selon les données du télescope spatial Planck, l’Univers s’étend à raison de 67,4 kilomètres par seconde par mégaparsec). Mais si vous avez dans ce contexte des astres qui se déplacent à la vitesse de la lumière, vous obtenez par rapport à l’observateur, des vitesses de déplacement des astres bien supérieures à celles de la lumière.
PS: Je précise que l’expansion de l’Univers n’est pas unidirectionnelle. Etant donné que nous avons nous-mêmes (la matière dont nous sommes faits) été projetés dans une certaine direction, même si des courants ou diverses forces d’attraction ont pu nous faire dévier de cette direction, tout ce qui est parti dans une direction opposée (pour prendre un exemple extrême) a disparu depuis longtemps de notre sphère d’observation puisque nous ne parvenons à observer les premières émissions électro-magnétiques (celle du fond diffus cosmologique) que presque à la vitesse de la lumière.
Voici quelques précisions et compléments nécessaires : aucun objet « massif » (= ayant une masse, quelle qu’elle soit, même les très ténus neutrinos) ne peut franchir la vitesse de la lumière, sa masse croissant avec celle-ci pour tendre vers l’infini et donc s’opposant par une inertie croissante à arriver à cette vitesse. Mais il n’en est pas de même pour l’expansion propre de l’Univers puisque c’est le « tissu » de l’espace lui-même qui se dilate et non pas les objets qu’il contient qui se déplacent. Ainsi, il existe un seuil, donné par c/H°, la vitesse de la lumière divisée par le paramètre actuel de Hubble, soit une distance au-delà de laquelle l’expansion se fait réellement à des vitesses toujours croissantes et supérieures à c. Les galaxies qui franchissent cette limite sortiraient alors de notre horizon de visibilité pour toujours, leur lumière ne pouvant plus nous parvenir. Avec la valeur actuelle de H° = 67,4±0,5 km/s par Mpc, cette distance vaut 4,451 Gpc, soit aussi 14,5 milliards d’années-lumière (a-l), sachant que 1 parsec (pc) = 3,26 a-l, ou aussi 3,08 10^13 km ; c’est là le rayon (actuel) de Hubble. Remarquons que ce chiffre est, actuellement, plus grand que la durée de l’Univers, 13,8 milliards d’années, donc on ne peut pas encore observer ce phénomène de « sortie » ; au contraire, comme on va le lire ci-dessous.
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Comme on sait que cette expansion est actuellement accélérée, cela entraîne que le paramètre de Hubble H décroît actuellement avec le temps qui passe (H est le quotient d’une vitesse par une distance, la vitesse croissant moins vite que la distance dans un mouvement accéléré !) et donc que la distance c/H en question augmente et s’éloigne de nous aussi avec le temps qui passe ; mais cela pas indéfiniment, comme on va le voir ci-dessous. D’autre part, il y a un autre horizon, plus proche de nous, résultant de la finitude de la durée actuelle de l’Univers, ces 13,8 milliards d’années mentionnées plus haut. Cet horizon est bien sûr croissant régulièrement avec le temps qui passe ; ainsi, actuellement, chaque année, de nouvelles galaxies « entrent » effectivement dans notre champ de visibilité.
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Ces deux horizons s’éloignent de nous avec le temps qui passe, mais ce second horizon, qui s’accroît inéluctablement et constamment d’une a-l par année, va, un jour, rattraper le premier qui, lui, bien que croissant, ne va pas pouvoir aller au-delà d’une certaine distance-limite « finale » qui est donnée par une valeur « finale » du paramètre de Hubble qui sera atteinte un jour. Cette dernière est déterminée par la fameuse « constante cosmologique », notée lambda majuscule, qui vaut de l’ordre de 10^-52 m^-2. On donne aussi sa valeur en « unités de Planck » de longueur (10^-35 m), soit la valeur minuscule (mais non nulle) de 10^-122, sans dimensions, donc un nombre avec 121 zéros après la virgule ! Si, et seulement si, cette constante cosmologique est vraiment une constante (partout et toujours, dans l’espace et dans le temps), alors la « racine carrée de trois fois son inverse » donne justement cette distance-limite de cet horizon : 1,65 10^26 m, soit près de 17,4 milliards a-l, un rayon « final » de Hubble, qui correspondrait à une valeur « finale » du paramètre de Hubble de 56,5 km/s par Mpc, précisément déterminé par la valeur fixe de la constante cosmologique. Ce nouvel horizon sera la limite absolue au-delà de laquelle on ne pourra plus rien voir. Il serait atteint dans environ 3,6 milliards d’années d’ici, et toutes les galaxies, les plus lointaines puis celles de plus en plus proches, le franchiront peu à peu, entraînées par l’expansion de l’espace, ce qui « videra », proprement dit, notre ciel profond actuellement visible ; cela arrivera pour toutes les galaxies, sauf pour celles très proches appartenant à notre Groupe local, liées gravitationnellement entre elles et à la nôtre.
Merci pour ces explications, très claires malgré la complexité du sujet traité.