|
Menu |
Astrophysique1020L'astrophysique au collégial - Martin Aubé et François Gaudreau 2012
La Terre dans l'UniversLa terre dans le système solaireLa terre, vous le savez déjà, est la troisième planète à partir de notre soleil. MercureEn quittant le Soleil vers la périphérie du système solaire, la première planète rencontrée est Mercure. Mercure gravite en moyenne à une distance de 58 millions de kilomètre du Soleil. Elle décrit son orbite en 88 jours (un peu moins de 3 mois). Mercure est assez difficile à observer car elle ne s'écarte jamais beaucoup du Soleil. Elle est donc au mieux à l'horizon dans la lumière du crépuscule soit un peu avant le lever du Soleil ou légèrement après le coucher du Soleil. La surface de Mercure apparait d'une teinte jaunâtre parsemée de taches grises. Ces taches grises sont permanentes elle sont donc associées au sol de la planète. Le diamètre de Mercure est évalué à 4878 km. Elle possède une masse correspondant au 1/20e de la masse terrestre. La Durée du jour sur la planète vaut 2 années mercuriennes, soit 176 jours terrestres. La surface de Mercure est tout à fait comparable à la surface lunaire. On y enregistre de très grands écarts de températures: +400 oC le jour contre -180 oC la nuit! Suite à des irrégularités de l'orbite de Mercure on a d'abord cru en la présence d'une autre planète entre Mercure et le Soleil. On a par la suite trouvé l'explication de l'orbite irrégulière de Mercure grâce à la théorie de la relativité.
Figure 102a: Mercure - Crédits: NASA/JPL Age de l'image de Mercure: 5 minutes VénusVénus qu'on appelle aussi souvent l'étoile du Berger est toujours comprise entre 107 et 109 millions de kilomètres du Soleil. La planète apparait sous différentes phases selon la période d'observation. Vénus ressemble beaucoup à la Terre. Son diamètre est évalué à 12200 km (0.949 fois le diamètre de la Terre) et elle possède aussi une masse très voisine de la masse de la Terre. L'atmosphère de Vénus est dense et essentiellement composé de gaz carbonique (CO2). Tout au sommet de cet atmosphère on rencontre d'importants nuages d'acide sulfurique. Ce n'est pas un milieu très accueillant d'autant plus que la température est d'environ de 470 oC (supérieure à la température de fusion du zinc) et la pression est 90 fois plus grande que sur la Terre. La haute température au sol s'explique par l'effet de serre. Il semble que Vénus ait déjà été couverte d'océans qui se sont par la suite évaporés. Cette vapeur d'eau se serait ensuite dissociée. La planète fait un tour sur elle-même en un temps légèrement plus long que l'année vénusienne (243 jours contre 224.7 jours).
Figure 102b: Vénus - Crédits: NASA/Ricardo Nunes Age de l'image de Vénus: 2 minutes La lune notre satellite naturelLa Lune, le seul satellite naturel de la Terre, possède un jour et une année de même durée (27.32 jours terrestres). Nous faisons ici un abus de langage en parlant de jour et d'année lunaire. Nous utilisons ce terme par analogie entre le système Terre-Lune et le système Soleil-planète. La coïncidence entre le jour et l'année lunaire explique pourquoi la lune montre toujours la même face à la Terre. Cette coïncidence n'est pas le fruit du hasard mais correspond à une situation d'équilibre pour le système Terre-Lune. Sa distance moyenne de la terre est de 384 400 km (60 rayons terrestres). La Lune possède un diamètre de 3476 km (environ le tiers de la terre). Notons enfin qu'il n'y a pas d'atmosphère et que sa température passe de +117oC à -173oC.
Figure 102c: Gauche: La Lune, satellite naturel de la Terre - Crédits: NASA ; Droite: La Terre et la Lune dans un même champ. Image prise par la sonde Galileo alors à 6.1 million de km. - Crédits: NASA Age de l'image de la Lune: 1 seconde MarsMars gravite en moyenne à 228 millions de kilomètres du Soleil et décrit son orbite en environ 688 jours terrestre. La durée du jour martien vaut environ 24 h 37 m. Elle possède un diamètre environ deux fois plus petit que la Terre soit 6794 km. Au télescope la planète possède une teinte orangée tachetée de zones foncées permanentes. La surface martienne montre une très grande différence de l'émisphère nord à l'émisphère sud. Le nord est en majeure partie occupé par des plaines volcaniques (refroidies) alors que le sud est façonné par de nombreux cratères. La teinte rougeâtre du sol martien est due à des particules d'oxyde de fer. Aux pôles, Mars possède deux calottes polaires constituées de neige carbonique. La planète possède un atmosphère très ténue de gaz carbonique. On observe enfin occasionnellement de violentes tempêtes de sable qui peuvent voiler une grande partie du disque de la planète (vents de 200 km/h).
Figure 102d: Mars - Crédits: NASA/Hubble Age de l'image de Mars: 4 minutes 20 secondes JupiterJupiter est une planète très différente des précédentes. Elle est essentiellement composée d'hydrogène et d'hélium liquide. Jupiter décrit son orbite en 11 ans 10 mois et 17 jours terrestre. La distance moyenne de la planète au Soleil vaut 778.3 millions de kilomètres. Son diamètre vaut 11.2 fois le diamètre terrestre soit 142 796 km. La masse de Jupiter est environ 319 fois plus grande que celle de la Terre. La surface de la planète est striée de bandes parallèles. On note aussi la présence de grandes taches circulaires (ex.: tache rouge) qui seraient semble-t-il de grands tourbillons de matière. La rotation de la planète est différentielle il est alors impossible de déterminer la durée du jour. Par rotation différentielle, nous entendons que la vitesse de rotation varie selon la latitude sur le globe de Jupiter. Jupiter est en fait une masse de gaz trop petite pour devenir une étoile comme le soleil.
Figure 102e: Jupiter - Crédits: NASA/JPL/USGS Age de l'image de Jupiter: 35 minutes SaturneSaturne gravite en moyenne à une distance de 1425 millions de km du Soleil. Elle décrit son orbite en 29 ans et 167 jours terrestre. Saturne est tout à fait semblable à Jupiter. En effet sa composition chimique est pratiquement identique et elle montre aussi des bandes à sa surface (figure 102f). Saturne possède toutefois d'étranges anneaux. Il y a plusieurs milliers d'anneaux autour de la planète (figure 102f). Ces anneaux sont très minces (quelques centaines de mètres) et sont constitués de particules de tailles variées.
Figure 102f: Gauche: Saturne - Crédits: NASA/JPL/Space Science Institute ; Droite: Gros plan des anneaux photographié par la sonde Cassini-Huygens - Crédits: NASA/JPL/Space Science Institute Age de l'image de Saturne: 1h 11 min UranusUranus parcoure son orbite en 84 ans à une distance moyenne de 2875 millions de km. Son diamètre est environ 4 fois plus grand que la terre. Sa composition est semblable à Saturne et Jupiter et elle possède aussi des anneaux qui sont presque perpendiculaires à son orbite.
Figure 102g: Uranus - Crédits: NASA Age de l'image de Uranus: 2h 31 min NeptuneNeptune fut découverte par le calcul à partir des irrégularités du mouvement d'Uranus. Elle met environs 165 ans pour parcourir sont orbite à une distance moyenne du Soleil de 4.5 milliards de kilomètres (30 fois plus loin que la terre).
Figure 102h: Neptune - Crédits: NASA Age de l'image de Neptune: 4h 2 min PlutonPluton est plus petite que la lune (2200 km). Elle est aussi très éloignée ce qui explique sa découverte tardive. La résolution des images terrestres de la planète avaient tout juste permis de déceler la présence d'un satellite autour de ce petit astre. Pluton a perdu son titre de planète du système solaire en 2008 suite à un délibération de l'Union Astronomique Internationale. Elle est maintenant classée comme plutoïdes. La découverte récente de plusieurs autres astres mineurs dans le système solaire externe dont Eris (identifiée en 2005) qui est plus gros que Pluton a justifié ce changement de nomenclature.
Figure 102i: Droite: Taille de Pluton (en bas à droite) en comparaison à des satellites naturels de planètes du SS (Ganymède, Titan, Callisto, Io, la Lune, Europe et Triton). - Crédits: NASA/ESA ; Gauche: Pluton et trois de ses cinq satellites connus, vus par Hubble le 15 février 2006 (de gauche à droite: Pluton, Charron, Nix et Hydra). - Crédits: NASA/ESA Age de l'image de Pluton: 5h 19 min Les astéroïdesLes astéroïdes sont de petites planètes difformes que l'on retrouve en grand nombre entre Mars et Jupiter. Leur diamètre est de d'ordre de 5 à 10 kilomètres (dimension d'une montagne). On en découvre plusieurs centaines par année mais plus de la moitié d'entre eux sont mal connus. Il est donc fort probable qu'il s'agissent d'objets déjà identifiés. En effet leur trajectoire est changeante et incertaine. Les dangers de collision avec la Terre sont assez faibles en raison de la grande distance séparant des astres de tailles relativement petites.
Figure 102j: Gauche: Astéroïde géocroiseur Eros. - Crédits: NASA/NEAR Project (JHU/APL) ; Droite: Astéroïde géocroiseur Toutatis - Crédits: Chang'e 2 Les comètesLes comètes sont d'énormes boules de neige sale en orbite autour du Soleil. Leur dimension se compare à celle des astéroïdes. Elles proviennent généralement du nuage de Oort ou de la ceinture de Kuiper à la périphérie du système solaire. Suite à la perturbation d'une étoile proche quelques comètes tombent vers le Soleil. Lorsqu'une comète s'approche de la terre la glace est chauffée et se vaporise ce qui donne naissance à la fameuse queue ainsi qu'à la chevelure qui entoure le noyau. Il y a deux queues; la queue de plasma (à gauche sur l'image de gauche de la figure 102k) et la queue de poussière (à droite sur l'image de gauche de la figure 102k). La queue de plasma est composée de particules plus fines qui se laissent totalement emporter par le flot de particules énergétiques éjectées du Soleil (vent solaire). Cette queue pointe donc toujours en direction opposée au Soleil. Par contre la queue de poussière est orientée dans une direction intermédiaire entre la queue de plasma et la trajectoire de la comète. La queue s'étend sur plusieurs millions de kilomètres et est très ténue. La couleur bleue de la queue de plasma est le fait de la diffusion de Rayleigh qui prédomine en raison de la faible taille des particules (ici des ions CO+). C'est le même mécanisme de diffusion qui est responsable de la couleur bleue du ciel sur Terre. On a longtemps prêté des pouvoirs magiques aux comètes. Elles devaient annoncer la mort d'un grand personnage ou la défaite d'un guerrier. Même en 1910 lors du passage de la comète de Halley on vendait des pilules anti-comète. Il y a eu une certaine panique en raison de la découverte de gaz toxiques dans la queue. La Terre avait croisé la queue de la comète pendant quelques heures.
Figure 102k: Gauche: comète Hale-Bopp, Crédits USNO; Droite: noyau de la comète Tempel 1, Crédits: NASA/JPL-Caltech/UMD Les phénomènes atmosphériques d'origine astronomiqueLe premier de ces phénomènes est bien connu sous le nom populaire d'étoile filante. Une étoile filante ou météore consiste en une traînée lumineuse produite par l'entrée d'une météorite dans l'atmosphère terrestre. Les météorites sont en fait des fragments plus ou moins gros (en moyenne quelques centimètres) de matière solide. Lorsque ces derniers pénètrent dans l'atmosphère, leur vitesse est telle (plusieurs centaine de millier de km/h) que la friction de l'air a pour effet de les échauffer au point qu'ils atteignent leur température de fusion. Cette matière incandescente laisse donc une longue traînée de débris lumineux derrière son passage. Seul les plus gros spécimens réussissent à atteindre le sol. Il y a dans ce cas formation d'une cratère météoritique (figure 102l). Les météores sont imprévisibles ils apparaissent sporadiquement et de façon aléatoire. Il y a toutefois quelques périodes de l'année où on en observe de fortes concentrations: les pluies d'étoiles filantes.
Figure 102l: Gauche: Cratère météoritique Barringer en Arizona, USA - Crédits: Shane Torgerson, Wikimedia Commons, CC BY 3.0 ; Droite: Pluie d'étoiles filantes des Léonides en 1998 Crédits: Juraj Tóth CC BY-SA 3.0 Le deuxième phénomène est facilement observable au Québec. Les aurores boréales sont intimement reliées à la proximité d'un pôle magnétique terrestre. Le pôle magnétique nord est situé sur le territoire canadien. Le phénomène lumineux que nous observons provient du retour à l'état fondamental de certains atomes de l'atmosphère. Pour retourner à leur état fondamental, ces atomes ont du être préalablement excités. L'énergie considérable nécessaire pour exciter ces atomes est fournie par des collisions avec les particules chargées du vent solaire. Une partie des particule du vent solaire est en quelque sorte capturée par le filet que constitue le champ magnétique terrestre. Après leur capture, ces particules énergétiques sont conduites vers l'un ou l'autre des pôles magnétiques où elles pénètrent dans l'atmosphère. Le nombre d'aurores boréales est intimement relié à l'intensité de l'activité solaire. On note un plus grand nombre d'aurores lorsqu'il y a un nombre plus important de taches solaires. Le Soleil, une étoile perdue dans la Voie LactéeLe Soleil en brefLe Soleil est l'étoile la plus rapprochée de la terre autour de laquelle cette dernière gravite. Le Soleil possède un rayon moyen de 696 000 km (10 x Jupiter, 100 x la Terre). Le Soleil est une étoile tout à fait moyenne seule sa proximité lui vaut le statut que nous lui accordons. En fait, le soleil consiste en une immense sphère plus ou moins parfaite composée d'hydrogène (92 %) et d'hélium (7.8 %). Sa masse totale atteint approximativement 2000 millions de milliards de milliards de tonnes. Le Soleil possède grossièrement la consistance d'un liquide. Le gaz d'hydrogène et d'hélium est comprimé sous l'action de sa propre attraction gravitationnelle. L'augmentation de pression dans le gaz entraîne un échauffement (principe de la pompe à vélo). Dans la région centrale du Soleil, la température atteint environ 15 millions de degrés. Cette haute température combinée aux conditions de haute pression favorisent une réaction de fusion nucléaire entre les noyaux d'atomes d'hydrogène (protons). La réaction de fusion nucléaire est un processus constructif au cours duquel des noyaux légers sont liés pour former de noyaux plus lourds et plus complexes. Ainsi le Soleil est une immense usine à transformer l'hydrogène en hélium. D'autres réactions moins probables se produisent aussi occasionnellement tel que le passage de l'hélium au carbone, élément à la base de la vie. Dans un avenir assez éloigné (4 milliards d'année) ces réactions seront prépondérantes au coeur de l'astre. Toutes ces réactions nucléaires sont accompagnées de l'émission de photons (lumière) très énergétiques (rayon gamma). Ces photons de haute énergie sont progressivement dégradés en photons de plus faible énergie tout au long de leur lente migration vers les couches externes du Soleil. On estime à 2 millions d'années le temps nécessaire pour qu'un photon atteignent la surface solaire. Ce long cheminement est expliqué par le nombre astronomique d'absorptions et réémissions successives le long de leur trajet. Ce nombre d'interaction est grand en raison de la très forte densité dans le Soleil. Dans le vide, un photon prendrait à peine 2 secondes pour parcourir la même distance. Bien que le Soleil ne soit pas solide, la seule région que l'on puisse observer correspond à une mince couche externe de quelques milliers de km. La plupart des photons quittant le soleil proviennent d'une couche d'environ 200 km d'épaisseur. Cette couche s'appelle la photosphère. La température à la surface du Soleil, d'environ 6000 degrés Kelvin, est beaucoup plus basse que la température interne (15 millions de degrés Kelvin). Cette décroissance de température s'explique par la perte progressives d'énergie d'une particule de lumière (photon) tout au long de sa migration vers les couches externes. Le Soleil est en rotation différentielle. Cela signifie que le Soleil ne tourne pas comme un corps rigide. La fréquence de rotation varie selon la position par rapport à l'équateur solaire. L'observation du Soleil révèle la présence de plusieurs structures plus étranges les unes que les autres (figures 102m et 102n). La plus apparente de ces structures est sans contredit la présence de taches solaires (figure 102n). Dans le visible le soleil apparaît comme une sphère jaunâtre parsemée de zones sombres changeantes. On connaît mal l'origine des taches solaires. Elles sont le site de champs magnétiques très intenses. Leur dimension est comparable à celle de la terre. Les taches solaires se présentent comme des zones très sombres (ombre) ceinturées d'une zone plus claire et d'apparence filamenteuse (la pénombre). Les taches solaires sont plus sombre que la surface avoisinante car elles sont plus froides d'environ 2000 degrés (soit une température d'environ 4000 degrés Kelvin). Toujours dans la lumière visible, on peut observer une structure d'apparence granuleuse appelée la granulation solaire (figure 102n). On observe la granulation sur toute la surface solaire sauf dans les taches solaires. La granulation consiste en quelque sorte en l'éclatement de bulles chaudes. Un partie de l'énergie est transportée sous forme de courants convectifs. On peut comparer ce phénomène à la formation de structures lorsqu'on fait chauffer de l'huile sur la cuisinière. Des zones chaudes sont conduites en raison de leur faible densité vers les régions externes plus froides. Après avoir libéré son énergie, la matière retourne vers des régions plus chaudes, se réchauffe et ainsi de suite... Une cellule granuleuse couvre généralement une surface plus ou moins circulaire ayant environ 1000 km de diamètre et possède une durée de vie d'une dizaine de minutes. On observe parfois des accroissement soudain de luminosité à la surface du Soleil. Ces accroissements de luminosité sont accompagnés d'un grand flux de particules énergétiques. Ces éruptions solaires s'étalent sur environ 10 000 km et durent environ 20 minutes. L'énergie dégagée lors de telles éruptions correspond à environ 2 milliards de mégatonne de TNT (des centaines de millions de fois les bombes à hydrogène). La figure 102m montre une photographie du premier test nucléaire exploitant la fusion de l'hydrogène. Il a été réalisé par l'armée américaine sur l'atoll Enewetak dans le Pacifique. Cette explosion avait dégagé environ 11 mégatonnes de TNT. Une partie de cet atoll a été rayé de la carte par l'explosion laissant place à un cratère de 1,9 km de diamètre et de 50 m de profondeur.
Figure 102m: Gauche: Protubérance solaire - Crédits: Skylab, NASA ; Droite: Opération Ivy Mike, le premier test d'une bombe à Hydrogène sur l'atoll Enewetak - Crédits: U.S. National Archives and Records Administration La chromosphère se situe au dessus de la photosphère. Une partie du rayonnement solaire provient de cette couche. Parmi les structures observées dans cette zone, notons la présence de cellules convectives géantes: la supergranulation. La dimension typique de ces cellules est comprise entre 25 000 et 50 000 km de diamètre. Une cellule de supergranulation possède une durée de vie caractéristique d'une vingtaine d'heures. Les observations spectroscopiques ont confirmé que ces structures correspondent à des courants alternativement ascendants puis descendants. Le centre d'une cellule correspond vraisemblablement aux courants ascendants alors que les mailles du réseau de supergranulation correspondent aux courants descendants. La chromosphère est aussi caractérisée par la présence de spicules. Ils ont l'apparence d'une flamme de chalumeau. Les spicules seraient peut-être la manifestation optique de jets de gaz verticaux dont la vitesse moyenne est de l'ordre de 20 km/s. Quelques milliers de kilomètres au-dessus de la surface on note la présence de ponts de matière éjectée de la surface lors d'éruptions solaires. Ces structures spectaculaires, surtout visibles dans la raie alpha de l'hydrogène, s'appellent les protubérances (figure 102m). Ces ponts, soutenus en grande partie par le champ magnétique solaire, sont constitués d'hydrogène de faible densité et de température relativement faible (environ 10 000 oK). La forme des protubérances est en constante évolution. Les protubérances ne durent généralement que quelques heures. On les observe facilement à l'aide d'un filtre ne laissant passer que la lumière rouge Hα émise par l'hydrogène. Les protubérances se trouvant entre le disque solaire et l'observateur paraissent sombres. Ces filaments étant plus froids que la surface, ils absorbent la radiation émise par le soleil (figure 102n).
Figure 102n: Gauche: Très long filament solaire (~700 000 km) observé le 6 décembre 2006 par le Solar Dynamics Observatory (SDO) de la NASA ; Droite: Tache solaire et granulation à la surface du Soleil - Crédits: NASA Un grand nombre de particules qui séjournent au dessus de la surface peuvent être poussés par le flux lumineux solaire. Ces particules chargées ou vent solaire peuvent atteindre des vitesses proches de la vitesse de la lumière. Elles se distribuent plus ou moins uniformément dans le vide interstellaire. La couronne constitue l'enveloppe externe de l'atmosphère du Soleil. Cette zone de très faible densité est maintenue à une température dépassant 1 million de degrés K. On peut l'observer plus facilement lors des éclipses de Soleil car sa luminosité est un million de fois plus faible que la surface stellaire. Elle est essentiellement constituée de vents stellaires façonnés par la structure changeante du champ magnétique solaire. Age de l'image du Soleil: 8 minutes. Un modèle réduit du Système SolaireDans le but de développer une compréhension intuitive des dimensions relatives au sein du système solaire, nous vous proposons un modèle réduit des principaux astres du système solaire. La proportion des dimensions et distances seront respectées. Nous avons réduit l'ensemble jusqu'à ce que le diamètre du Soleil mesure 1,2 m. A cette échelle la Terre et toutes les planètes telluriques semblent bien petites. Par exemple le diamètre de la Terre ne mesure que 1,1 cm. La figure 102o permet d'apprécier les diamètres relatifs mais attention, dans cette figure les distances ne sont pas respectées.
Figure 102o: Mise à l'échelle des principaux astres du système solaire. À cette échelle, le Soleil a un diamètre de 1,2 m. - Crédits: Martin Aubé CC BY 3.0 Pour vous donner une idée des distances relatives toujours à la même échelle nous avons choisi de placer notre Soleil à l'intersection des rues King et Wellington au centre-ville de Sherbrooke, Qc, Canada. Cette représentation permet de rendre compte de l'importance du vide à l'échelle astronomique. Par exemple la Terre avec son diamètre de 1,1 cm se trouve à 130 m du Soleil. Quant à Saturne elle se situe à 1,23 km du Soleil. La figure 102p indique la localisation de chaque astre considéré sur l'image satellite extraite de Google Earth.
Figure 102p: Mise à l'échelle des principaux astres du système solaire. À cette échelle, le Soleil a un diamètre de 1,2 m. Sur cettte figure, les lettre qui apparaissent sur les balises correspondent à la première lettre du nom de l'astre. À une plus grande échelle soit celle des distances interstellaires dans notre galaxie, l'effet de vide est encore plus saisissant. En effet dans notre modèle réduit la plus proche étoile, soit Proxima centori, se situe à une distance 37 500 km (le tiers de la distance Terre-Lune ou le triple du diamètre de la Terre) et possède une diamètre de seulement 17 cm. Les galaxiesToutes les étoiles visibles à l'oeil nu font partie de notre galaxie la Voie Lactée. La Voie Lactée contient à elle seule environ 100 milliards d'étoiles. Notre galaxie n'est toutefois pas un cas isolé. Il existe en effet un nombre incalculable de galaxies. Les galaxies consistent en d'énormes amoncellements d'étoiles, de nuages de gaz et de poussières. Il existe trois grandes classes de galaxies; les galaxies spirales, les galaxies elliptiques, et les galaxies irrégulières. Ces trois classes se distinguent par des critères morphologiques (voir figure 102q).
Figure 102q: Classification morphologique des galaxies. - Crédits: NASA/ESA Les galaxies spirales ont l'apparence de grands tourbillons de lumière doublés d'un noyau sphérique en leur centre. L'importance relative du noyau central par rapport aux spirales ainsi que la forme même des spirales permet de subdiviser la classe des spirales en sous-classes. La Voie Lactée et la galaxie d'Andromède sont de bons exemples de galaxies spirales. Ces galaxies semblent formées par la superposition d'un disque très plat et d'une sphère centrale. Le disque contient les bras spiraux qui sont essentiellement composés de gaz, de poussières et d'étoiles jeunes. Comme nous le verrons les étoiles se forment à partir de telles agglomérations de nuages diffus. Le disque d'une galaxie est en rotation très rapide. Sa dimension est toutefois très grande de telle sorte que la période de rotation excède quelque centaines de millions d'années. C'est pour cette raison qu'il nous semble immobile. Les bras spiraux sont formés suite à des ondes de choc au sein du disque (e.g. avion supersonique, fouet, etc.). Ces ondes de choc stimulent la formation d'étoiles. Il y a aussi des étoiles entre les bras spiraux mais leur luminosité est plus faible car se sont des étoiles plus vieilles. En effet, les étoiles les plus brillantes sont des étoiles massives qui évoluent très rapidement. Le disque est donc assez bien rempli, ce sont les étoiles brillantes en formation qui sont disposées en spirales. Le noyau d'une galaxie spirale possède une symétrie sphérique. Il ne recèle aucune composante gazeuse. Les étoiles du noyau sont beaucoup plus "vieilles" que celles du disque. Leur abondance en éléments lourds est nettement supérieure aux étoiles du disque ce qui indique qu'elles se seraient formées à la suite de plusieurs générations stellaires.
Figure 102r: Gauche: Galaxie spirale d'Andromède dans la raie spectrale Hydrogène alpha - Crédits: Adam Evans (CC BY 2.0); Droite: galaxie spirale barrée NGC 1300 située à une distance de 61 million d'années-lumière de la Terre - Crédits: NASA, ESA, and The Hubble Heritage Team STScI/AURA) Age de l'image de la galaxie d'Andromède: ~2.5 millions d'années. Le disque de la Voie Lactée a une épaisseur de 2000 année-lumières et un diamètre de 100 000 année-lumières. Le soleil se situe à environ 28 000 année-lumières du centre galactique. Sa vitesse de rotation autour du centre est estimé à 800 000 km/h. Comme nous sommes à l'intérieur de la Voie Lactée, elle a l'apparence d'un anneau ceinturant la voûte céleste. Cet anneau est boursouflé dans la direction de la constellation du sagittaire correspondant à la direction du centre galactique. Une galaxie elliptique est tout à fait comparable au noyau sphérique d'une galaxie spirale. Les galaxies elliptiques sont composées de vieilles étoiles riches en métaux. Elles ne contiennent pas de gaz interstellaire, il n'y a donc pas de formation d'étoiles. Contrairement aux spirales, les elliptiques ont des vitesses de rotation allant de très faibles à nulles. Les étoiles qui les composent montrent une distribution aléatoire des vitesses. On utilise les théories sur les gaz pour étudier le comportement de telles galaxies. La galaxie elliptique est en quelque sorte un ballon (sans parois palpables) empli d'un gaz d'étoiles. C'est la force de gravitation qui remplace les parois. Certaines galaxies elliptiques sont énormes. De telles galaxies possèdent souvent quelques dizaines de galaxies satellites. La galaxie M 87 est un bon exemple de galaxie elliptique géante.
Figure 102s: Gauche: Galaxie elliptique M 87. Cette galaxie est caractérisée par un noyau actif dont la source d'énergie serait un trou noir supermassif. Le rayonnement associé au noyau actif serait d'origine gravitationnelle. Il s'agit de la perte d'énergie potentielle de la matière en chute vers le disque d'accrétion entourant le trou noir. - Crédits: NASA ; Droite: M 87 et ses voisines immédiates. - Crédits: NASA/ESA Age de l'image de la galaxie M 87: 50 millions d'années. Les galaxies irrégulières regroupent toutes les galaxies qui ne présentent aucune structure symétrique. Elles sont presque uniquement composées de gaz et de jeunes étoiles. Le taux de formation stellaire y est très élevé. Elles sont généralement assez petites et leur richesse en éléments lourds est dix fois plus faible que celle du soleil. Cette carence en métaux peut être attribuée au fait qu'il y aurait eu moins de générations stellaires depuis leur formation. On a avancé l'hypothèse qu'elles ne seraient pas nécessairement plus jeunes, mais qu'elles perdraient leurs métaux par expulsion lors de l'explosion de séquences de supernovae et de forts vents stellaires. Il y a deux galaxies irrégulières à proximité de la Voie Lactée: le petit et le grand nuage de Magellan. Ces dernières sont des galaxies satellites de la Voie Lactée. On observe à l'occasion que certaines galaxies irrégulières montrent un taux de formation stellaire anormalement élevé. Ces galaxies actives ou starburst ne seraient que le site de bref sursauts de formation stellaire. En effet, à ce rythme, elles ne pourraient exister longtemps car elles consument trop rapidement leur carburant.
Figure 102t: Gauche: Galaxie irrégulière M 82. M 82 connaît une phase starburst caractérisée par un taux anormalement élevé de formation stellaire. On estime que cette phase ne peut perdurer qu'une dizaine de million d'années car autrement la galaxie aurait depuis longtemps épuisé sa réserve de gaz. - Crédits: NASA, ESA, and The Hubble Heritage Team (STScI/AURA); Droite: petit nuage de Magellan. Il s'agit d'un galaxie naine irrégulière satellite de la Voie Lactée. - Crédits: NASA/ESA Age de l'image de M82: 11.5 millions d'années A l'échelle galactique, l'importance du vide est moindre. En effet, la distance entre galaxies est typiquement à peine 10 fois plus grande que leur diamètre ( on avait un rapport 1 pour 10 millions dans le cas des étoiles). Ce plus faible rapport distance diamètre engendre une plus forte probabilité de collision. La Voie Lactée
Figure 102u: Gauche: Représentation de la Voie Lactée vue de l'extérieur - Crédits: NASA/JPL-Caltech/R. Hurt; Droite: Panorama de la Voie Lactée vue de la Terre (Cerro Paranal, Chili) - Crédits: Bruno Gilli/ESO CC BY 3.0 Les amas ouvertsLes amas ouverts ont généralement l'apparence de regroupements anarchiques de quelques dizaines à quelque centaines d'étoiles (figure 102v). Les étoiles d'un amas ouvert sont vouées à se disperser. En fait l'amas ouvert est obtenu de la formation d'un groupe d'étoiles à partir d'un même nuage moléculaire. L'amas ouvert est donc généralement constitué d'étoiles jeunes entourées de nuages résiduels. L'amas des pléiades qui a constitué pendant longtemps le test d'acuité visuelle par excellence est visible à l'oeil nu. Une vision parfaite permet de distinguer sept étoiles. L'observation au télescope révèle que l'amas est composé de quelque centaines d'étoiles.
Figure 102v: Gauche: Amas ouvert des Pléiades - Crédits: NASA, ESA, AURA/Caltech, Palomar Observatory; Droite: Image infrarouge d'une partie des Pléiades acquise par Spitzer. Cette image met en lumière la distribution des poussières interstellaires autour de l'étoile Merope - Crédits: NASA/JPL-Caltech/J. Stauffer (SSC/Caltech) Age de l'image des pléiades: 410 ans Les amas globulairesLes amas globulaires ne sont ni plus ni moins que de minuscules galaxies elliptiques en orbite autour des galaxies spirales. Un amas globulaire contient environ 100 000 vieilles étoiles riches en métaux (figure 102w). Les amas globulaires font partie du halo d'une galaxie spirale. Ils sont répartis selon une distribution sphérique centrée sur le noyau de la galaxie. Le rayon de cette sphère dépasse les limites du disque galactique. On peut trouver la position du centre de la Voie Lactée en étudiant la répartition des amas.
Figure 102w: L'amas globulaire Messier 13 dans la constellation de Hercules, Crédits: ESA/Hubble/NASA Age de l'image de l'amas globulaire M13: 22 000 années. Le groupe local, l'amas de la vierge et les superamasLes groupes de galaxiesLes galaxies se regroupent généralement par dizaines en des structure qu'on a baptisé les groupes de galaxies. La Voie Lactée fait partie du groupe local. Le groupe local comporte environ 30 galaxies dont la Voie Lactée et la galaxie d'Andromède en sont les plus importantes. Bien que les galaxies soient distribuées de façon à peu près uniforme, on a remarqué deux principales concentrations autour de la galaxie d'Andromède et de notre galaxie. Ces hausse de concentration tout comme l'existence même du groupe est attribué à une cause gravitationnelle.
Figure 102x: Stephan's Quintet, un groupe compact de galaxies répertorié comme le Hickson Compact Group no. 92. Ces cinq galaxies sont si rapprochées qu'elles sont en phase de collision. Cette interaction par effet de marée devrait se solder par un amalgame. Ce groupe se situe à une distance approximative de 340 millions d'années-lumière. - Crédits: NASA, ESA, and the Hubble SM4 ERO Team Age de l'image du Stefan's Quintet: 340 millions d'années Les amas et superamas de galaxiesLes amas de galaxies sont des regroupements beaucoup plus importants. On y dénombre généralement quelque milliers de galaxies par amas (figure 102y). L'amas de la vierge est un très bon exemple de telles structures.
Figure 102y: Gauche: L'amas de la vierge. Les cercles noirs sont des masques apposés pour cacher les étoiles trop brillantes en avant plan. Ces étoils appartiennent à la Voie Lactée - Crédits: Chris Mihos (Case Western Reserve University)/ESO CC BY 3.0 ; Droite: Abell 1689, un amas de galaxies très massif dans la constellation de la Vierge. Age de l'image de l'amas de la vierge: 53.5 millions d'années. Si on étudie l'univers à une échelle encore plus grande, on note la présence de structures plus imposantes: les superamas. Les superamas sont formés d'un regroupement variable de groupe et d'amas de galaxies. Notre galaxie fait partie du superamas local. Le superamas local est centré sur l'amas de la vierge et possède un rayon d'environ 50 millions d'années-lumières. Bien que ces structures soient très grandes, on a récemment mis en évidence des structures encore plus grandes et plus complexes. A grande échelle, l'univers seraient parcourus par d'immense filaments constitués par des chapelets d'amas de galaxies séparés par de vastes étendus de vide. La plus grande structure actuellement identifiée, visible dans les constellations des Poissons et de la Baleine, serait longue de plus d'un milliard d'année-lumière. Son centre serait situé à environ 650 millions d'années-lumière du soleil. La géométrie de l'univers ressemble à cette échelle à une grappe de bulles de savon. Les filaments forment des espèces de polyèdres au milieu desquels on ne retrouve que du vide.
Figure 102z: Structures autour de la Terre à différentes échelles de la taille de la Terre à l'Univers observable. - Crédits: Andrew Z. Colvin CC BY-SA 3.0 Voici une animation qui nous fais voyager à travers l'univers par saut de puissance de 10. Le projet cosmic eye. https://www.youtube.com/watch?v=8Are9dDbW24 Les quasarLes quasars (quasi stellar objects) sont des sources ponctuelles très éloignées. Cette distance évaluée à l'aide du décalage Doppler peut atteindre plus de 10 milliards d'années-lumières. Ils délimitent l'univers visible. Comme leur image est vieille d'au moins 10 milliards d'années, on peut associer ces objets avec les débuts de l'univers (figure 102aa).
Figure 102aa: Croix d'Einstein (QSO 2237+0305) se quasar se situe à 8 milliard d'années-lumière. - Crédits: ESA/Hubble & NASA Un quasar émet de 100 à 1000 fois plus d'énergie qu'une galaxie mais serait environ dix fois plus petit. Il est difficile d'expliquer une telle émission d'énergie. C'est pourquoi les astrophysiciens sont actuellement séparés en deux écoles de pensées. Certains pensent qu'il s'agirait d'objets relativement proches. Cette hypothèse offre l'avantage qu'elle élimine automatiquement le problème de l'énergie considérable mise en cause. Par contre pour accepter cette idée il faut admettre que le décalage Doppler n'est pas toujours relié à la vitesse de l'objet, ce qui est loin d'être évident. La deuxième et la plus acceptée des hypothèses place les quasars à de très grandes distances. On suggère qu'un super trou noir au centre du quasar soit la source de l'énergie observée. Le super trou noir aurait une masse entre 1 million et 1 milliard de fois celle du soleil. Les étoiles avoisinantes tombant dans le super trou noir perdraient beaucoup d'énergie avant d'être avalées, ce qui explique les observations. La formation de ces super trous noirs est néanmoins difficile à justifier toutefois ils sont évoqués pour expliquer la dynamique de plusieurs grandes galaxies. Age de l'image de la croix d'Einstein: 8 milliard d'années Le centre de l'Univers?
|
