La Galaxie

La Galaxie

La Galaxie est un ensemble d’environ 300 milliards d’étoiles, dont la très grande majorité forment un disque d’environ 100.000 années-lumière de diamètre. Ce disque est très aplati puisque son épaisseur n’est que de 1000 années-lumière, soit environ un centième du diamètre. En son centre se trouve une excroissance de 10.000 années-lumière de diamètre appelée le bulbe. Un halo sphérique de diamètre légèrement plus grand que le disque englobe le tout.

Le Soleil se trouve à moins de 100 années-lumière du plan central du disque, ce qui explique que ce dernier nous apparaît comme une bande dans le ciel : la Voie Lactée. Notre étoile se trouve à 27.000 années-lumière du centre de la Galaxie, soit aux deux tiers de la distance du centre aux limites externes. Enfin, dans notre ciel, le centre galactique se trouve dans la constellation du Sagittaire.

Milky Way

Une vue vers le centre de la Voie Lactée dans la constellation du Sagittaire. Crédit : W.-H. Wang

Le halo et le disque

Les constituants du disque et du halo présentent des propriétés très différentes. Les étoiles du halo sont vieilles, peu lumineuses, rougeâtres et dépourvues d’éléments autres que l’hydrogène ou l’hélium. De plus, le halo est pratiquement dépourvu de gaz et de poussières. Notons aussi que le halo contient les amas globulaires qui permirent à Harlow Shapley de déterminer la taille de la Galaxie.

Au contraire, les étoiles du disque ont une gamme d’âge et de luminosité bien plus étendue. On y trouve en particulier des associations OB, formées d’astres très jeunes, massifs et lumineux, associés à des régions HII. Les étoiles y sont riches en éléments plus lourds que l’hydrogène et l’hélium. Enfin, le disque contient un milieu interstellaire très riche, grâce auquel la formation stellaire continue d’être active.

Les populations I et II

La très nette différence entre les étoiles du halo et celles du disque a conduit les astronomes à les classer en deux groupes : la population I composée des étoiles du disque et la population II qui regroupe celles du halo. Cette répartition trouve son origine dans l’histoire de la formation de la Galaxie.

A l’origine, il y a environ 15 milliards d’années, celle-ci n’était qu’un nuage de gaz sphérique en rotation. Il était alors exclusivement formé d’hydrogène et d’hélium, les seuls éléments qui existaient à cette époque. Sous l’effet de la gravitation, ce nuage s’effondra sur lui-même, tout en s’aplatissant du fait de la rotation. Le résultat final fut un disque aplati, perpendiculaire à l’axe de rotation et contenant la plus grande partie de la masse du système, en particulier son gaz.

Les étoiles de la population II datent de la première phase, ce qui explique leur distribution sphérique et l’absence d’éléments plus lourds que l’hélium. Elles sont vieilles car, dorénavant dépourvu de gaz, le halo ne peut plus produire d’étoiles. Nous ne voyons plus que celles qui étaient peu massives et capables de survivre plus de 15 milliards d’années. Elles sont donc peu lumineuses et rougeâtres. Ces étoiles se trouvent maintenant sur des orbites très excentriques et inclinées par rapport au plan du disque, et traversent rapidement ce dernier tous les 100 millions d’années.

Les caractéristiques des étoiles de la population I viennent du fait que le disque est au contraire très riche en gaz. La formation d’étoiles s’y poursuit de façon très intense. On y trouve donc des corps de tous les âges, même de très jeunes étoiles de moins de 100 millions d’années. Au fur et à mesure que les générations stellaires se succèdent, le milieu interstellaire s’enrichit en éléments plus lourds, créés au sein des étoiles et libérés par les vents stellaires, les nébuleuses planétaires et les explosions de supernova. Les nouvelles étoiles deviennent donc aussi de plus en plus riches en éléments lourds.

La rotation autour du centre

Les étoiles du disque ne sont pas au repos mais tournent autour du centre galactique sur une orbite circulaire. La vitesse du Soleil sur son orbite est par exemple de 220 kilomètres par seconde. Le disque ne tourne pas comme un corps rigide, mais est soumis à une rotation différentielle. Ainsi, deux étoiles à des distances différentes du centre n’ont pas la même vitesse de rotation : plus la distance est grande, plus la vitesse de rotation est faible. A 27.000 années-lumière du centre, notre étoile accomplit son orbite en 225 millions d’années.

La Galaxie

Vue d’artiste de la Galaxie d’après des observations en lumière infrarouge et dans les ondes radios. Crédit : CXC/M.Weiss

Les bras spiraux

L’extinction interstellaire nous empêche généralement d’étudier les régions lointaines dans le plan galactique. Ceci n’est heureusement pas vrai dans toutes les longueurs d’onde. Ainsi la lumière infrarouge ou les ondes radios ne sont guère affectées par le milieu interstellaire et nous donnent accès à ces régions. Pour étudier la structure globale de la Galaxie, les astronomes utilisent en particulier le rayonnement radio à 21 centimètres, émis par les nuages d’hydrogène atomique qui parsèment la Voie Lactée.

Ce type d’étude a montré que l’hydrogène est réparti de façon inhomogène dans le plan galactique. Le gaz se concentre en fait dans quelques bandes appelées les bras spiraux. Ce nom est lié à l’aspect de ces zones de forte concentration : elles semblent partir du centre galactique et s’en éloigner, tout en s’enroulant comme une spirale.

Les études à 21 centimètres ont révélé l’existence de quatre grands bras spiraux, nommés d’après les constellations dans lesquelles ils apparaissent : Sagittaire-Carène, Centaure-Ecu-Croix du Sud, Cygne et Persée. Il y a également de nombreux petits bouts de bras, en particulier celui d’Orion, dans lequel le Soleil se trouve.