>> Retour vers toutes les thématiques

Les galaxies

On étudie les étoiles aux confins de l’Univers grâce aux galaxies, où elles sont rassemblées en si grand nombre qu’elles sont visibles jusqu’à des milliards d’années-lumière de la Terre. Les galaxies à différentes distances retracent l’histoire de l’Univers. Un défi majeur est d'identifier les galaxies lointaines qui s'apparentent aux ancêtres des galaxies actuelles. Pour cela, les astrophysiciens étudient la manière dont la lumière émise par les galaxies change de couleur avec la distance. En région Île-de-France, les chercheurs explorent en détail la Voie lactée et quelques dizaines de galaxies proches, et les comparent à des milliers voire des millions de galaxies lointaines.

Qu'est-ce-que c'est?

Les galaxies sont des systèmes immenses et innombrables dans l’Univers. La Voie lactée, qui apparaît comme une grande traînée blanche à travers le ciel d'été, est la galaxie dans laquelle se trouvent le Soleil et des dizaines de milliards d'autres étoiles, dont les plus proches sont celles que l’on voit dans le ciel nocturne. C'est la force gravitationnelle qui maintient ensemble les étoiles, ainsi que le gaz interstellaire. On estime à environ 10 milliards le nombre de galaxies observables dans tout le ciel avec un télescope. Les galaxies sont de toutes tailles, de tous âges, et ont eu des histoires mouvementées.
Dans la Voie Lactée, de nouvelles étoiles naissent chaque année à partir du gaz interstellaire. Le télescope spatial infrarouge Herschel a confirmé que dans le passé, les galaxies formaient dix à cent fois plus d’étoiles que maintenant, et l’origine de cette activité intense n’est pas entièrement élucidée.
On distingue deux grands types de galaxies. Les galaxies spirales comme la Voie Lactée sont des disques en rotation dans lesquels les «bras» sont des ondes de matière contenant des pouponnières d'étoiles. A l'opposé, les galaxies de forme elliptique sont en moyenne plus grosses, plus vieilles, et contiennent très peu de gaz. Leurs étoiles ont des trajectoires désordonnées dont l'origine pourrait provenir de collisions violentes entre galaxies dans le passé. Enfin, des trous noirs supermassifs sont fréquents au centre des galaxies spirales et elliptiques.

Comment les étudie-t-on?

Les chercheurs étudient les galaxies en les observant à toutes les longueurs d'onde: le domaine visible nous expose la lumière des étoiles, qui peut être obscurcie par le gaz et les poussières; l'ultra-violet révèle les étoiles jeunes et chaudes; l'infrarouge proche, les vieilles étoiles froides; l'infrarouge lointain, les poussières chauffées par les étoiles de leur voisinage; l'émission radio provient des électrons spiralant dans le champ magnétique de la galaxie.
Les chercheurs utilisent divers instruments d’observation pour accéder aux propriétés des étoiles, du gaz et de la poussière contenus dans les galaxies. Il s’agit de mesurer leur quantité, leur répartition spatiale, et l’âge des étoiles déjà formées. Les images sont complétées par des observations de spectroscopie, permettant d’étudier la composition chimique des étoiles et du gaz. L’Institut d’Astrophysique de Paris (IAP) est expert dans la modélisation de ces observations.
Par ailleurs, en mesurant les mouvements des étoiles dans une galaxie, on obtient des informations sur les collisions passées. On met aussi en évidence la présence de matière invisible, qui n'émet aucun rayonnement, mais affecte le mouvement des étoiles. Ainsi, les galaxies sont plongées dans d’immenses halos de matière sombre. La complexité des galaxies nécessite leur modélisation par des simulations sur ordinateur de plus en plus sophistiquées, qui incluent des phénomènes physiques très variés.

La Voie lactée, une galaxie comme les autres?

Depuis l’intérieur de notre Galaxie, la Voie lactée, on peut étudier en détail ses étoiles et son gaz. Les télescopes spatiaux Hubble dans le visible, et Herschel dans l’infrarouge ont renouvelé notre compréhension des régions de formation des étoiles, tout comme l’observation des molécules de gaz froid, abondantes dans ces régions, avec les radiotélescopes installés au Chili (APEX, ALMA). Par ailleurs, les étoiles de la Galaxie appartiennent à son disque, à son bulbe central, ou à son halo. Elles sont en mouvement sous l'emprise de la gravitation, mais elles conservent l’information sur la composition chimique qu'avait le gaz à l'endroit et au moment de leur formation, lequel s’est lui-même enrichi au cours du temps en atomes lourds fabriqués dans les étoiles. Les observations spectroscopiques fines avec les grands télescopes au sol, comme le VLT au Chili, montrent que les vielles étoiles du halo se sont formées il y a 12 ou 13 milliards d'années, et contiennent dix à plus de mille fois moins d’oxygène et de fer que les jeunes étoiles du disque comme le Soleil. Cela ouvre la possibilité d'une « archéologie galactique », qui permettra à terme de reconstituer l'histoire de la Voie Lactée depuis sa formation jusqu'à nos jours. Cette entreprise ambitieuse nécessitera de nombreuses données, comme celles que l’on attend du satellite européen Gaia, lancé en 2013 pour observer presque un milliard d'étoiles. Ces données seront interprétées par des modèles numériques complexes qui sont développés par des chercheurs franciliens.

Peut-on observer la naissance des galaxies?

La quête des premiers objets formés après le Big Bang fascine les astronomes depuis des décennies. La lumière voyageant à une vitesse grande mais finie, les images qui nous parviennent de galaxies distantes sont aussi des images du passé. En outre, la lumière nous parvenant d’une galaxie lointaine est « étirée » en chemin par l’expansion de l’Univers, sa décomposition en longueur d’onde est donc décalée vers le rouge. Ainsi, il faut observer le ciel dans l’infrarouge pour pouvoir déceler la naissance des premières étoiles et des premières galaxies, quelques centaines de millions d’années après le Big Bang. Pour contrer l’absorption de la lumière et la distorsion des images par l’atmosphère terrestre, il convient d’utiliser un télescope spatial (comme les télescopes Hubble et Herschel, ou le télescope de nouvelle génération James Webb, au lancement prévu en 2018). Ou alors, un télescope géant au sol incluant un système perfectionné de correction d’image (comme le futur télescope géant européen E-ELT, 1ère lumière prévue pour 2024). Grâce à des observations de ce type et des modèles complexes pour interpréter l’émission des étoiles et du gaz interstellaire des galaxies, les chercheurs d’Île-de-France ont déjà fourni des informations précieuses sur l’époque extraordinaire qui a vu naître les premiers constituants des galaxies comme la Voie lactée. L’arrivée de nouveaux moyens d’observation va révolutionner notre vision des galaxies primordiales.