Introduction
Dés l’antiquité, les philosophes tentèrent de saisir la nature de la bande lumineuse connue sous le nom de « Voie lactée ».C’est Galilée en 1610, qui fut le premier à découvrir qu’elle était une énorme collection d’étoiles et de taches nébuleuses. Le traité d’Emmanuel Kant en 1755, spécule que notre voie lacté était une des nébuleuses de l’Univers. Ainsi l’Univers tout entier est composé de multitude d’Univers-iles ou galaxies dont l’une d’elle, là notre, noté la Galaxie, est vue de l’intérieur en perspective comme une bande blanchâtre « la Voie lactée ». La recherche de la forme et la position du Soleil au sein de cette galaxie à été lancé. William Herschel en 1785 compta le nombre d’étoiles dans différentes directions et fit un diagramme dont le Soleil est proche du centre. En 1920, Harlow Shapley trace une image de la Galaxie en positionnant les amas globulaires : la Galaxie est un disque plat et le Soleil est au bord de la Galaxie. L’étude des amas ouverts, des nébuleuses elliptiques et spirales ainsi que des sources ponctuelles ont confirmés les hypothèses de Kant. En 1920, Edwin Hubble, en étudiant les nébuleuses spirales et des étoiles dites céphéides dont la période de variation de leur luminosité est fonction de leurs distances, a confirmé que ces nébuleuses étaient des galaxies hors la voie lactée. En 1936, Hubble établie une classification de ses galaxies en elliptiques (25 %) , spirales(70 %) et irrégulière(5 %).
Dans la thématique globale de la dynamique des disques galactiques la communauté des scientifiques est assez grande nous déclare Mr Arnaud Siebert, astronome adjoint a l’observatoire de Strasbourg depuis 2007. Mr Arnaud Siebert : « Ma recherche est centrée sur la Voie Lactée: formation, cinématique et dynamique. Je suis principalement un modélisateur, c’est à dire que je confronte des théories aux observations soit pour affiner des paramètres de ces théories soit pour valider ou invalider certains aspects. A un niveau plus observationnel, je suis très implique dans le relevé spectroscopique RAVE (http://rave-survey.org) sur lequel je travaille depuis 2003 et a moindre échelle dans la préparation de la mission Gaia. Localement mes collaborateurs sont Benoit Famaey et Olivier Bienayme (tous deux impliqués dans RAVE) ainsi que Rodrigo Ibata. Hors de France j’ai des collaborateurs un peu partout, surtout au niveau du projet RAVE. »
Comment expliquer que 70 % des galaxies sont spirales ?
C’est une question compliquée mais en gros les galaxies spirales sont des galaxies qui n’on pas eu d’interaction forte avec d’autres galaxies depuis un certain temps ce qui a permis au gaz de se condenser en un disque qui forme les étoiles. Si 70% des galaxies sont spirales dans l’univers local, c’est que l’univers local n’est plus assez dense et donc que les interactions entre galaxies sont plus espacées dans le temps pour permettre cela. Par exemple, il faudra encore attendre 3 milliards d’années pour que la Voie Lactée entre en collision avec la galaxie d’Andromède et perde sa forme spirale pour former une galaxie elliptique.
Structure de la galaxie ?
M31 La galaxie d’Andromède
L’observation des galaxies spirales en général nous montre qu’elles peuvent être caractérisées par 4 principaux aspects.
– Une structure aplatie : les galaxies spirales sont des systèmes dits à disque. C’est à dire que les constituants (étoiles, gaz, poussières) de la galaxie (hors des parties centrales où se trouve le bulbe) se distribuent de manière privilégiée dans un disque dont l’épaisseur est très inférieure à son diamètre.
– Une composition riche en gaz : contrairement aux galaxies elliptiques les galaxies spirales sont riches en gaz, poussières et étoiles jeunes.
– Des bras spiraux : les galaxies spirales présentent des zones de sur-densité du gaz où se forment en grande partie des étoiles de toutes masses (dont des étoiles massives et chaudes). Ces sur-densités tracent les bras spiraux.
– Un système en rotation : les galaxies spirales sont en rotation. Tous les objets du disque sont en rotation autour du centre de la galaxie. Cette rotation suit une loi de vitesse (courbe vitesse en fonction de la distance au centre nommée courbe de rotation) de forme bien particulière correspondant à une rotation dite différentielle.
Quelle est la forme ou l’allure de cette rotation ?
La courbe de rotation d’un corps décrit la variation de vitesse linéaire (ou angulaire) des points (ou constituants) de ce corps en fonction de la distance au centre (ou l’axe) de la rotation. Sur la figure ci-dessus , on montre la courbe de rotation de différents « corps ».
En rouge est représentée la courbe de rotation d’un corps solide (type DVD en rotation dans le lecteur). La courbe est une droite traduisant une croissance de la vitesse des points avec la distance au centre.
En bleu vert est représentée la courbe de rotation du système solaire. On voit une décroissance de la vitesse des planètes quand on s’éloigne du Soleil (centre de rotation du système).Ce type de courbe de rotation est dite « décroissance képlérienne » (car elle provient directement de la 3e loi de Kepler).
Enfin, on trouve la courbe de rotation en bleu foncé des galaxies spirales. Elle se caractérise par une croissance rapide près du centre de la galaxie (de type corps solide) et un long plateau. Ce type de courbe est dite « courbe de rotation différentielle ».
Pour les galaxies spirales, la forme de la courbe de rotation est croissante dans les régions centrales puis atteint un plateau qui reste plus ou moins stable plus loin que le rayon optique et même radio (le disque de gaz est 2 a 4 fois plus étendu que le disque optique compose d’étoiles). Donc a partir d’un certain rayon la masse dynamique croit proportionnellement avec la distance au centre. C’est le problème de la matière noire car si l’on somme toutes les contributions visibles en masse, il n’est pas possible d’avoir cette croissance linéaire de la masse avec le rayon. Intégré sur l’ensemble de la galaxie, il manque ~90% de la masse pour que la masse visible soit égale a la masse dynamique.
Déterminer la rotation de la Voie Lactée n’est pas une chose facile. Les études les plus précises utilisent la raie a 21cm de l’hydrogène (donc des observations radio) pour mesurer la vitesse du gaz froid le long des lignes de visée. Si l’on connait ensuite la distance soleil-centre Galactique et si l’on fait des hypothèses sur la forme de la Galaxie, on peut reconstruire la courbe rotation de la Galaxie. Cette méthode est valide pour l’intérieur de la Galaxie, pour les régions plus éloignées que le soleil on utilise d’autres sources (masers, amas stellaires pour lesquels on peut mesurer une distance) et l’on combine les mesures de vitesse sur la ligne de visée (vitesse radiale) aux mesures de mouvement propres (mesure du décalage angulaire ne fonction du temps) pour remonter a l’information sur la vecteur vitesse. Il faut noter que ces mesures (plus loin que le soleil) sont bien moins précises et donc la courbe de rotation pour la Voie Lactée n’est bien connue que pour la partie centrale (a l’intérieur de rayon du soleil). Les instruments utilises par les astronomes pour ce genre d’études sont divers et varies, camera CCD grand champs pour les mesures de mouvements propres, spectromètres pour les mesures de vitesse radiales etc. On notera que mesurer les courbes de rotation pour les galaxies extérieures est plus aise car on voit l’ensemble de la galaxie. Néanmoins il faut connaître l’inclinaison du disque de cette dernière.
Qu’infirment exactement les nouvelles mesures de cette recherche ?
Les mesures que nous avons effectuées, nous dit Mr Arnaud Siebert, sont des mesures de la vitesse perpendiculaire a la direction de la rotation. Dans une galaxie axisymétrique stationnaire, cette vitesse (moyenne sur de petites zones) est sensé être nulle. Hors nous avons découvert que, dans la direction du centre Galactique et le quatrième quadrant en général, plus l’on s’approche du centre Galactique plus cette vitesse moyenne diffère de 0 dans l’échantillon qui sonde a peu prêt ¼ de la distance Soleil-centre Galactique. L’écart au modèle axisymétrique stationnaire est d’autant plus grand que l’on s’éloigne du soleil. Donc nous avons montre que l’amplitude des perturbations non-axisymétriques (qui étaient jusque la négligées) sont plus importante que prévu.
Qu’est ce que l’onde de densité ? Comment influe-t-elle le mouvement des étoiles ?
L’analogie courante de l’onde de densité est un camion qui génère un ralentissement sur une autoroute. Les voitures qui arrivent dans le ralentissement en sortent au bout d’un moment alors que le ralentissement lui persiste. L’onde de densité est le ralentissement, ce n’est pas quelque chose de matériel comme un mur mais localement dans le ralentissement la densité est plus importante. Le voitures elles par contre ne peuvent pas être associées a ce ralentissement, elles ne passent qu’un temps plus ou moins long dans le ralentissement mais elles en sortent, c’est juste la densité de voiture qui trace l’onde de densité, pas les voitures elles-mêmes.
Les étoiles jeunes sont les plus affectés par l’onde de densité explique Mr Arnaud., elles ont une dispersion de vitesse plus faible que les étoiles vieilles. Elles sont donc plus concentrées dans le plan Galactique et subissent plus l’effet d’une onde de densité. Par contre il est faux de penser que les étoiles vieilles ne subissent pas l’onde de densité. Elles ont été jeunes et donc ont subit les même effets. Le fait que l’on trouve des zones de formation stellaire dans les bras spiraux, et donc des étoiles jeunes, est du a la compression du gaz par l’onde de densité qui génère localement des flambées de formation stellaires.
Les bras spiraux et de la barre centrale ont des effets sur le mouvement des étoiles. Tout d’abord elles ont des résonances qui sont probablement a l’origine des courants d’étoiles détectés dans l’espace des vitesses comme Hercule (du a la barre) ou encore les Hyades et Pléiades (pas les amas stellaires qui sont différents) qui sont probablement du a une résonance des bras spiraux. Pour les bras spiraux, Lin et Chu ont montre qu’ils ont également un effet sur le mouvement global des étoiles et sont sans doute à l’ origine de l’effet que nous avons détecté. Cependant, pour en être sur il nous faut encore confirmer la mesure en allant plus profond et plus proche du plan afin d’avoir une cartographie plus claire du champs de vitesse et donc pouvoir vérifier quel phénomène est a la source de ce que l’on observe.
Conclusion
La courbe de rotation demeure inchangée, le résultat de cette recherche porte sur les mesures de vitesse perpendiculaire a la rotation. La généralisation à toutes les étoiles de la galaxie est très difficile à faire car il faut mesurer la vitesse radiale des étoiles dans le plan Galactique (lieu où se trouvent les perturbations). Hors le plan Galactique contient du gaz qui absorbe le rayonnement et rend donc les étoiles plus faibles dans les longueurs d’onde optique qui sont généralement utilisées pour ce type de mesure. Il faut donc un télescope plus grand (qui permet donc de capter plus de photons) mais plus le télescope est grand, plus le champ de vue est petit et donc il devient difficile de faire un relevé systématique.
Cette recherche ne met pas en cause l’existence du trou noir central de la Voie Lactée qui est très bien établi et on a même les orbites « complètes » des étoiles proches du trou noir qui permettent de mesurer précisément sa masse.
riadh BEN NESSIB 