Les bras spiraux

De tous les types, les galaxies spirales sont probablement les plus magnifiques. L'origine de la structure spirale reste encore de nos jours un grand sujet d'étude. La première tentative d'explication consistait à dire que la forme spirale était due à la rotation différentielle de la galaxie. Ainsi, les parties internes tournaient plus vite que les parties externes, et la structure spirale apparaissait tout naturellement avec le temps. Malheureusement pour cette hypothèse, les bras auraient fini par s'enrouler sur eux-mêmes tout en s'étirant. De cette façon, ils auraient rempli toute la galaxie en un temps de l'ordre du milliard d'années, ce qui est incompatible avec les observations actuelles.

Depuis, d'autres théories ont fait leur apparition. La première est celle des ondes de densité, développée par Bertil Lindblad. Nous savons qu'une onde sonore correspond à des variations périodiques de la pression d'un gaz. De façon similaire, les ondes de densité consistent en des variations de la densité de matière. Dans cette vision des choses, les bras spiraux ne sont pas liés à des étoiles données, ce sont simplement des régions où la matière est temporairement concentrée. Ainsi, les bras peuvent se déplacer en bloc, indépendamment de la matière, ce qui explique que leur forme ne change pas avec le temps. Comme la densité de matière est élevée dans les bras, le gaz s'y trouve comprimé, ce qui provoque l'effondrement de nuages moléculaires et la formation d'étoiles massives et brillantes. Au contraire, entre les bras, se trouvent des régions de faible densité, sans étoiles massives, qui sont donc beaucoup moins visibles. Cette théorie explique l'existence de bras spiraux, mais elle présente deux difficultés. D'abord, elle n'explique pas le phénomène qui donne naissance aux ondes de densité, ensuite, elle n'explique pas comment les ondes de densité sont entretenues alors qu'elles devraient avoir tendance à se dissiper au bout de quelques millions d'années.

Une deuxième théorie est celle de l'autopropagation de la formation d'étoiles. Les étoiles massives achèvent leur existence par de formidables explosions qui peuvent déclencher l'effondrement de nuages moléculaires et donc la formation de nouvelles étoiles massives. Si les premières étoiles sont alignées le long d'un bras spiral, les nuages moléculaires qui s'effondrent et les nouvelles étoiles formées le sont également. Plus tard, ces dernières exploseront à leur tour et donneront naissance à une nouvelle série, toujours dans le même bras. De cette façon, la forme du bras spiral se conserve de génération en génération d'étoiles. Évidemment, cela n'explique pas l'origine première de la forme spirale, mais il ne s'agit pas d'un problème trop sérieux. En effet, les premières étoiles peuvent très bien apparaître lors de collisions aléatoires entre nuages moléculaires et la forme spirale naître par suite de la rotation différentielle de la galaxie.

Laquelle des deux théories est la bonne ? Il semble en fait que les deux mécanismes existent et qu'ils donnent lieu à des types différents de spirales. Les ondes de densité sont probablement en jeu dans les galaxies possédant des bras spiraux fins, nets et clairement définis. C'est en particulier le cas dans les spirales qui possèdent une barre centrale capable d'entretenir le phénomène ou dans celles qui ont subi des interactions gravitationnelles avec d'autres galaxies. L'autopropagation de la formation d'étoiles serait quant à elle plutôt en cause dans les galaxies qui présentent des bras spiraux incomplets, épais ou mal définis.