LesLes GalaxiesGalaxies Introduction Les origines des galaxies Qu’est-ce qu’une galaxie ? Les différents types de galaxies La vie des galaxies Collisions et fusions galactiques Annexes GAP 47 • Olivier Sabbagh • Mai 2021 INTRODUCTION Préambule : dans ce document sur les galaxies nous allons parler des distances dans l’Univers, et l’Univers est immense… et c’est peu dire. Nous trouverons trois principales unités de mesure des distances utilisées en astronomie : Mettons de côté et oublions les kilomètres, dont l’usage nécessiterait un grand nombre de zéros, sauf quelques exceptions comme la distance Terre-Lune. • L’Unité Astronomique (ou U.A. ou A.U. en anglais). Cette mesure concerne essentiellement le système solaire et ses environs, ou d’autres systèmes stellaires comparables. • L’année-lumière (ou AL ou A.L. ou al), qui n’est pas une mesure de temps mais de distance. • Le Parsec (ou pc), (abréviation de parallaxe-seconde), une autre unité de distance dont le calcul est un peu compliqué, mais qui est très employée par les astronomes professionnels et certains amateurs éclairés. L’unité astronomique qui sera peu ou pas employée ici dans le cadre des galaxies, est une unité arbitraire qui est égale à la distance moyenne Soleil-Terre soit, en arrondissant, environ 150 millions de km. Il sera par exemple plus facile de faire des comparaisons de distance entre les planètes du système solaire. En disant que Jupiter est à 5,2 UA, soit 5,2 fois plus loin du Soleil que la Terre, c’est plus parlant que de dire que Jupiter se trouve à 780 millions de km. Pour Saturne ce sera 10 UA, dix fois plus loin du Soleil, ce qui est mieux que dire qu’elle se trouve à 1,5 milliard de km, etc. L’année-lumière est la distance qui est parcourue par la lumière dans le vide pendant un an. La vitesse de la lumière est très légèrement inférieure à 300.000 km par seconde. Une année-lumière équivaut donc à 9.460.000.000.000 km (neuf mille quatre cent soixante milliards de km). Sachez que l’objet le plus lointain décelé à ce jour dans l’Univers se situe à 13,4 milliards d’années-lumière de nous ! Le Parsec, est le fruit d’un calcul de parallaxe, pas très complexe, mais il est inutile de le développer ici. Il suffit de savoir qu’un Parsec vaut 648.000 /π unités astronomiques, soit environ 3,26 années-lumière. Quand on veut exprimer des distances énormes on parlera de kilo-parsecs (kpc pour mille pc), de méga- parsecs (Mpc pour million de pc), voire de giga-parsecs (Gpc pour milliard de pc). Définition : Une galaxie est un ensemble d'étoiles, de planètes, de gaz, de poussières, de vide et probablement de matière noire, contenant parfois un trou noir supermassif en son centre. Dès les XVIII° et XIX° siècles ces objets étaient appelés des « Univers-Îles ». Etymologie et origine du nom Le mot « galaxie » provient du terme grec ὁ γαλαξίας / ho galaxias (« laiteux », sous-entendu κύκλος / kyklos « cercle »), dérivé du nom τὸ γάλα / to gala « lait ». On trouve aussi en grec ancien ὁ τοῦ γάλακτος κύκλος / ho tou galaktos kyklos « le cercle de lait », ou encore ὁ κύκλος γαλακτικός / ho kyklos galaktikos, « cercle laiteux », à cause de son apparence dans le ciel. Dans la mythologie grecque, Zeus plaça son fils Héraclès, né de son union avec la mortelle Alcmène, sur le sein de son épouse Héra lorsqu'elle était endormie afin que le bébé devienne immortel en buvant son lait divin. Lorsque celle-ci se réveilla, elle se rendit compte qu'elle allaitait un bébé inconnu qu'elle repoussa, et un jet de lait aspergea le ciel, formant cette pâle bande lumineuse appelée « Voie Lactée ». Le nom de « Voie Lactée » est emprunté, par l'intermédiaire du latin via lactea, au grec ancien γαλαξίας κύκλος / galaxías kýklos signifiant littéralement « cercle galactique », « cercle lacté » ou « cercle laiteux ». Elle fait partie des onze cercles que les anciens Grecs ont identifiés dans le ciel : le zodiaque, le méridien, l'horizon, l'équateur, les tropiques du Capricorne et du Cancer, les cercles arctique et antarctique et les deux colures passant par les deux pôles célestes. Si les interprétations mythologiques de la Voie Lactée sont nombreuses et diverses, la Galaxie est presque toujours considérée comme une rivière ou un chemin : « Fleuve » des Arabes, « Rivière de lumière » des Hébreux, « Rivière céleste » des Chinois, « Lit du Gange » dans la tradition sanskrite. Premières observations et hypothèses sur la nature des galaxies Dès l'Antiquité, les premières observations des comètes donnent naissance à de nombreuses mythologies de la Voie Lactée puis à des interprétations issues de la philosophie naturelle grecque. Les philosophes tentèrent de saisir la nature de la bande lumineuse connue sous le nom de Voie Lactée. Le philosophe grec Anaxagore (500—428 av. J.-C.) la concevait comme « l'effet de la lumière des astres qui ne sont pas offusqués par le Soleil ». De la même manière, Démocrite (450—370 av. J.-C.) suggéra qu'elle était due à un grand nombre de petites étoiles trop petites pour les distinguer à l’œil nu. Cette conception stellaire de Les Galaxies Olivier Sabbagh GAP 47 Avril 2021 Page 1 la Voie Lactée apparaît aussi en Inde. Aristote, dans son traité Du ciel, divise le cosmos en monde céleste, composé d'éléments sphériques parfaits, et monde sublunaire avec ses objets imparfaits. Dans son traité des Météorologiques, il considère la Voie Lactée comme étant la combustion d'une partie de l'air, enflammé par le mouvement des astres, donc un phénomène atmosphérique placé dans la moyenne région sublunaire. Selon Macrobe, Théophraste, disciple d'Aristote, regarde la Voie Lactée comme le point de suture des deux hémisphères qui réunit et forme la sphère céleste ; là où les hémisphères se rejoignent, elle est selon lui plus brillante qu'ailleurs. Claude Ptolémée synthétise 500 ans d'observations dans son Almageste rédigé au IIe siècle (après J.C.). Il propose un modèle mathématique où la Terre est au centre de l'Univers (il épouse donc la vision philosophique d'Aristote) et les autres objets célestes tournent autour selon des parcours circulaires. L'influence aristotélicienne, grâce à l’Almageste de Ptolémée, reste prédominante en Occident jusqu'au XVe siècle. Cependant, le philosophe néoplatonicien Olympiodore le Jeune dès le VIe siècle réfute cette conception météorologique par deux arguments principaux : des planètes passent parfois devant la Voie Lactée et elle n'a aucun effet sur la parallaxe. Tandis que plusieurs astronomes arabes et perses du Moyen Âge penchent pour son origine stellaire, Al- Biruni (973 - 1048 apr. J.-C.) réfuta lui aussi la proposition d'Aristote, en tentant de calculer la parallaxe de la Voie Lactée, et en notant que puisqu'elle est nulle, elle doit se trouver à grande distance de la Terre, et donc hors de l'atmosphère. Il proposa également que la Voie Lactée était une collection d'innombrables étoiles nébuleuses. Au début du XIIe siècle, l'astronome arabe Ibn Bajja (appelé Avempace par les andalous) est d’avis que la Voie Lactée est faite d’un grand nombre d’étoiles, mais que la réfraction de l’atmosphère terrestre lui donne l’aspect d'un « voile continu ». Pour appuyer sa thèse, il étudie la conjonction de Mars et de Jupiter de février 1117 : elle a l'aspect d'une figure élancée malgré l’aspect circulaire des deux planètes. L’observation à l’œil nu de la Voie Lactée ne permet de distinguer qu’une très faible partie des étoiles dont elle se compose. Avec sa lunette astronomique, Galilée découvre dès 1610 que la Voie Lactée est un « amas de toutes petites étoiles » mais considère à tort qu'elle n'est pas constituée de gaz (alors qu'il s'avérera qu'elle regorge de nombreuses nébuleuses). Dans son Opera philosophica & mineralia (1734), le philosophe suédois Emanuel Swedenborg avance que les galaxies sont des « univers-îles ». En 1750, l'astronome Thomas Wright, dans son ouvrage An Original Theory or New Hypothesis of the Universe, étudie la structure de la Galaxie et imagine qu’elle forme un nuage aplati, disque parsemé d’étoiles parmi lesquelles se trouve le Soleil. L’apparence de la Voie Lactée est « un effet optique dû à l’immersion de la Terre dans une couche plate composée d’étoiles de faible luminosité », écrit-il. Le philosophe Jean-Henri Lambert parvient à des conclusions identiques en 1761. Dans un traité de 1755, le philosophe Emmanuel Kant, s'appuyant sur les travaux de Wright, spécule correctement que la Voie Lactée pourrait être un corps en rotation composé d'un nombre immense d'étoiles retenues par la gravitation, de la même façon que le Soleil retient les planètes du Système solaire, mais à une échelle nettement plus vaste. Le disque d'étoiles ainsi formé serait observé comme une bande dans le ciel depuis la Terre (qui se trouve à l'intérieur du disque). Il suppose aussi que des nébuleuses, visibles dans le ciel nocturne, seraient des « galaxies » semblables à la nôtre. Il reprend la qualification des « nébuleuses extragalactiques » avec le terme des « univers-îles ». Dans son Exposition du système du monde, ouvrage de vulgarisation publié en 1796, Pierre-Simon de Laplace fait l'hypothèse que de « nombreuses « nébuleuses » sont en réalité des galaxies très éloignées, formées de myriades d'étoiles. Notre Galaxie vue par William Herschel en 1785. Il supposait que le Système solaire était près du centre Les Galaxies Olivier Sabbagh GAP 47 Avril 2021 Page 2 La première tentative de décrire la forme de la Voie Lactée et la position du Soleil au sein de celle-ci est effectuée par William Herschel en 1785 en dénombrant les étoiles dans différentes régions du ciel.