Tout ce que vous devez savoir sur la Voie lactée

Troy Oakes
Le 10/08/2018

Depuis des milliers d'années, les gens s'interrogent sur la bande blanchâtre qui s'étend sur tout le firmament. Dans l'ère moderne, Galilée a découvert que cette Voie Lactée est composée d'innombrables étoiles. Cependant, ce n'est qu'au XXe siècle que les astronomes ont réussi à déchiffrer sa forme et sa véritable nature.

Telle une gigantesque spirale, la Voie lactée flotte dans l'espace. (Image : via Troy Oakes)
Telle une gigantesque spirale, la Voie lactée flotte dans l'espace. (Image : via Troy Oakes)

"Ma troisième observation concerne la nature de la Voie Lactée (...) Quelle que soit la partie que l'on cible avec le télescope, on trouve un nombre énorme d'étoiles, dont plusieurs sont assez grandes et très frappantes ; pourtant, le nombre de petites étoiles est absolument insondable."

Ces mots ont été écrits en 1610 par un homme qui, avec son télescope construit par lui-même, a étudié des terres inconnues qui n'étaient pas de ce monde. C'est ce travail qui lui a valu une place dans l'histoire : Galileo Galileo Galilei.

La roue de feu. Le système de la Voie lactée, appelé galaxies, ressemble à une gigantesque spirale avec environ 200 milliards d'étoiles. L'un d'entre eux est notre Soleil. (Image: Robert Hurt / SSC / Caltech / JPL / NASA Robert Hurt)
La roue de feu. Le système de la Voie lactée, appelé galaxies, ressemble à une gigantesque spirale avec environ 200 milliards d'étoiles. L'un d'entre eux est notre Soleil. (Image: Robert Hurt / SSC / Caltech / JPL / NASA Robert Hurt)

La terre qu'il a décrite est littéralement hors de ce monde, et le document porte le titre de Sidereus Nuncius ("messager étoilé"). Le mathématicien et astronome italien y présente ses observations des satellites de Jupiter, de la lune terrestre et de la Voie lactée. Jusque-là, leur nature était restée un mystère et avait surtout fait l'objet de mythologie.

Le philosophe grec Démocrite avait déjà affirmé au 5e siècle av. J.-C. que la bande rougeoyante diffuse dans le ciel - connue par l'Africain !bushmen Kung comme la "colonne vertébrale de la nuit" - était composée d'innombrables étoiles faibles.

La meule dans le firmament

Après la découverte faite par Galilée, cependant, près de 150 ans s'écouleront avant que cette structure céleste redevienne le sujet d'étude scientifique. Thomas Wright du comté de Durham croyait que les étoiles étaient disposées dans une région plate semblable à une meule de pierre, qui s'étendait sur tout le ciel. Pour lui, la Voie lactée n'était rien d'autre que la projection de cette meule.

Le philosophe allemand Immanuel Kant s'est emparé de cette théorie et a failli découvrir la vérité. Dans son Histoire Naturelle Générale et Théorie des Cieux, publiée en 1755, il explique la Voie Lactée comme une couche d'étoiles étendue et très diluée. Le Soleil, la Terre et toutes les autres planètes faisaient partie de cette couche - mais pas en son centre.

Incurvé. De profil, la galaxie ressemble à une roue légèrement courbée. Il a un diamètre d'environ 100 000 années-lumière et une épaisseur de seulement 5 000 années-lumière. Autour du centre, il y a un renflement sphérique brillant. (Image: Helmut Rohrer)
Incurvé. De profil, la galaxie ressemble à une roue légèrement courbée. Il a un diamètre d'environ 100 000 années-lumière et une épaisseur de seulement 5 000 années-lumière. Autour du centre, il y a un renflement sphérique brillant. (Image: Helmut Rohrer)

Selon la ligne de visée, le long du plan de la couche ou verticalement hors de celle-ci, nous verrions différents nombres d'étoiles. Mais comment les astronomes pouvaient-ils savoir si la vue apparente de la Voie lactée dans le ciel reflétait sa structure spatiale réelle ? Les statistiques stellaires élaborées à la fin du XVIIIe siècle par Friedrich Wilhelm Herschel promettaient une solution : Herschel a enregistré les coordonnées et la luminosité de toutes les étoiles qu'il pouvait voir à travers son télescope.

Cependant, l'engagement a échoué. Outre le manque de fiabilité de ces mesures - par exemple, bien qu'il ait été possible de déterminer la luminosité apparente des étoiles, il était impossible de déterminer leur luminosité absolue et donc leur distance - il y avait aussi un problème fondamental : la Voie lactée est remplie de matière interstellaire, de gaz et de nuages de poussière qui absorbent la lumière des étoiles.

Cela obscurcit la vue de la région centrale et rend impossible de voir la structure globale. Pour cette raison, les statistiques stellaires ne peuvent jamais englober le système dans son ensemble, mais seulement la région autour du Soleil jusqu'à un rayon d'environ 10 000 années-lumière. La percée n'a eu lieu qu'au milieu du 20e siècle, lorsque les astronomes ont appris à regarder le ciel avec des yeux différents à l'aide de radiotélescopes.

Un regard à travers les rideaux de poussière

L'hydrogène est l'élément le plus courant dans l'univers. Dans le cadre de la matière interstellaire, l'hydrogène neutre (H1) remplit l'espace entre les étoiles et remplit ainsi la Voie Lactée. Cela signifie que la distribution des nuages d'hydrogène gazeux trace la forme de l'ensemble du système, de la même manière que les os façonnent le corps humain.

Mais comment ces "os" cosmiques peuvent-ils être rendus visibles ? La réponse est fournie par le nano univers : Dans l'état fondamental de l'hydrogène, la direction de rotation du noyau atomique et de l'électron qui l'entoure sont antiparallèles. Si deux atomes d'hydrogène entrent en collision, la direction de rotation du noyau et de l'électron peut être inversée pour finir parallèlement l'un à l'autre - et après un certain temps, ils retournent à leur état antiparallèle de base.

Cette image de la partie centrale de la Voie Lactée montre une région de 1000 x 500 années-lumière et a été prise avec le télescope MeerKAT stationné en Afrique du Sud, un système composé de 64 antennes radio. (Image: SARAO)
Cette image de la partie centrale de la Voie Lactée montre une région de 1000 x 500 années-lumière et a été prise avec le télescope MeerKAT stationné en Afrique du Sud, un système composé de 64 antennes radio. (Image: SARAO)

Ce processus libère de l'énergie, qui est rayonnée sous forme d'onde électromagnétique. Cette ligne se trouve dans la portée radio du spectre électromagnétique. Malgré la densité extrêmement faible de la matière interstellaire, les atomes entrent constamment en collision, ce qui fait que les zones H1 brillent à la lumière de cette ligne d'hydrogène.

Ce rayonnement pénètre dans les rideaux de poussière presque sans obstruction et peut être capté par des radiotélescopes. Grâce à cette nouvelle fenêtre sur l'univers, les astronomes ont pu découvrir la structure en spirale de la Voie Lactée. Cependant, dans les années 1970, les chercheurs ont découvert que l'hydrogène seul n'était pas suffisant comme indicateur de la morphologie de la galaxie parce que, par exemple, il est moins concentré dans les bras en spirale que prévu. La recherche a recommencé.

Bras en mouvement

L'indicateur le plus important s'est avéré être les nuages de molécules interstellaires - elles émettent des radiations à la lumière du monoxyde de carbone (CO). Maintenant, il devenait progressivement possible d'affiner le portrait de la Voie Lactée. En conséquence, la galaxie (du grec gala : lait) est une roue courbée, d'un diamètre de 100 000 années-lumière et d'une épaisseur de seulement 5 000 années-lumière.

Le moyeu de roue avec son trou noir est entouré d'un renflement sphérique d'étoiles avec une structure encastrée en forme de cigare - une sorte de barre. À environ 15 000 années-lumière du centre, s'étend un anneau qui se compose également de nuages de poussière et de gaz, ainsi que d'étoiles.

La galaxie est caractérisée par plusieurs bras. La plupart d'entre eux portent les noms des constellations stellaires dans lesquelles nous les observons : les armes Sagittaire et Persée, les armes Norma et Scutum-Crux, les armes 3-Kiloparsec et le bras Cygnus.

Notre système solaire est situé dans le bras d'Orion, à 26 000 années-lumière du centre et presque sur le plan principal. Le système, qui contient environ 200 milliards de soleils, est entouré d'un halo sphérique contenant des milliers d'amas d'étoiles globulaires et une région sphérique constituée d'un plasma d'hydrogène très mince.

La galaxie entière tourne, avec des objets plus proches du centre tournant plus vite, et ceux plus éloignés du centre tournant plus lentement. La courbe de cette rotation différentielle montre des irrégularités qui ne peuvent être expliquées par la seule masse visible.

Ici, il est probable que la matière noire invisible joue un rôle. Et les astronomes font face à un autre problème : malgré la rotation, les bras en spirale ne se déroulent pas, mais maintiennent leur forme depuis des milliards d'années. Cela s'explique par les ondes de choc qui se propagent dans tout le système et compactent la matière dans les bras en spirale comme un embouteillage sur l'autoroute. Les chercheurs s'interrogent encore sur les causes de ces ondes de densité.

Source : Max Planck Society