Les bras spiraux des galaxies


La rotation différentielle

L’origine de la structure spirale de certaines galaxies reste encore de nos jours un 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 explication, les bras auraient fini par s’enrouler sur eux-mêmes tout en s’étirant. Ils auraient rempli toute la galaxie en un temps de l’ordre du milliard d’années, ce qui est incompatible avec les observations.

Messier 83

La galaxie spirale barrée Messier 83, située à 15 millions d’années-lumière (constellation de l’Hydre). Crédit : ESO/VLT

Les ondes de densité

Depuis, d’autres théories ont fait leur apparition. La première est celle des ondes de densité, un mécanisme suggéré par l’astronome suédois Bertil Lindblad dans les années 1940 et appliqué en modèle des galaxies spirales par les américains Chia-Chiao Lin et Frank Shu en 1964.

Nous savons qu’une onde sonore correspond à des variations périodiques de la pression d’un gaz. De façon similaire, les ondes de densité sont des variations de la concentration de matière qui se propagent dans la galaxie. Les bras spiraux ne sont pas liés à des étoiles données, ce sont simplement des régions où la matière est temporairement plus 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 interstellaire 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.

L’autopropagation de la formation d’étoiles

Une autre théorie initialement proposée par les astronomes américains Mark W. Mueller et W. David Arnett en 1976 est celle de l’autopropagation de la formation d’étoiles.

Les étoiles massives achèvent leur existence par de formidables explosions en supernova 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 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.

NGC 1350

La galaxie spirale NGC 1350 à 85 millions d’années-lumière observée par le VLT en 2005. Crédit : ESO/VLT

Les deux mécanismes

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.


Page mise à jour le 30 août 2017 par Olivier Esslinger