Dans quelque direction que l’on observe, l’Univers se compose de milliards de galaxies renfermant chacune des milliards d’étoiles. Ces galaxies sont organisées en petits groupes si éloignés les uns des autres que, la gravitation ne pouvant jouer sur de telles distances, c’est l’expansion de l’Univers qui les fait s’éloigner d’autant plus vite qu’ils sont plus lointains. En revanche, dans chacun des groupes qui peuvent contenir de quelques dizaines de galaxies à plusieurs centaines, la gravitation reprend ses droits et ces gigantesques masses stellaires se rapprochent inexorablement les unes des autres pour, à terme, ne devoir plus former qu’une seule galaxie géante par groupe. La Voie lactée fait partie d’un ensemble appelé groupe local qui contient une quarantaine de galaxies et elle en est la deuxième en taille, juste derrière sa voisine la grande galaxie d’Andromède : cette dernière est sa sœur jumelle avec laquelle elle fusionnera dans 4 à 5 milliards d’années. Essayons de faire plus ample connaissance avec notre galaxie, cette Voie lactée que les puristes appellent simplement « la Galaxie » (avec un G majuscule)…

La Voie lactée est une galaxie comme les autres

   Quelle est donc, chantée par Nougaro, cette « Voie lactée, voie clarté, où les pas ne pèsent pas » ? Eh bien jusqu’à il y a peu (les années 1920), c’était tout l’Univers connu et les plus illustres des scientifiques de l’époque n’imaginaient pas que l’Univers réel était encore bien plus immense, s’étendant très au-delà. Pour le comprendre, il faudra attendre les travaux de Edwin Hubble qui, du coup, remit la Voie lactée en perspective en définissant réellement ce qu’elle est : une galaxie comme les autres.

   Par une nuit particulièrement obscure, c’est-à-dire sans lune et loin des lumières artificielles des hommes, la Voie lactée

apparaît, au milieu des étoiles, comme une bande claire s’appuyant sur deux points de l’horizon : il s’agit bien de notre galaxie mais vue par la tranche depuis l’un de ses bords, notre Soleil étant relativement excentré. Les Anciens qui ne comprenaient pas la nature réelle de ces images avaient trouvé des réponses dans la mythologie. Galaxie vient du grec (galactos = lait) tandis que les Romains évoquaient une « via lacta » : pour certains, il s’agissait du lait que Hercule avait fait jaillir du sein de Junon, épouse et sœur de Jupiter, alors que pour d’autres, la trace lactescente provenait du sillage de flammes laissé par le char du Soleil conduit par Phaéton, son fils, lorsque celui-ci en perdit le contrôle. Poétique sans doute mais fort loin de la réalité : on pardonne aisément car les moyens techniques étaient limités.

   La Galaxie est une spirale barrée (on le sait depuis 1991), c’est du moins ce que nous a appris le télescope spatial Spitzer en 2005. Elle se compose d’un noyau central en forme de barre prolongé par un grand disque d’étoiles et de poussière présentant des bras spiraux et entouré par un halo.

le centre galactique

   C’est un gros renflement appelé bulbe essentiellement composé de vieilles étoiles rouges dites de « population II » ce qui signifie qu’elles sont très anciennes, datant des débuts de la Galaxie, il y a 12 ou 13 milliards d’années. En raison de nuages de poussière compacts, ce centre est difficile à observer mais on sait qu’il est également occupé par un gigantesque trou noir (comme d’ailleurs la plupart des galaxies) actuellement en repos (voir : Sagittarius A, le trou noir central de la Galaxie).

   La barre centrale est d’une longueur voisine de 27 000 années-lumière et elle est entourée d’une sorte d’anneau qui contient la

plus grande partie de l’hydrogène de la Galaxie : c’est grâce à lui que se forment les nouvelles étoiles et il n’est donc pas étonnant que cet endroit en soit une vraie pouponnière. D’ailleurs, un observateur situé quelque part dans la galaxie d’Andromède verrait cet endroit comme le plus brillant de toute notre galaxie…

le disque

est une structure relativement plate entourant le centre et il renferme quatre bras spiraux plutôt évasés. Il est évidemment difficile d’observer de l’intérieur une construction dont on fait partie mais on a pu estimer sans trop d’erreur son épaisseur à 2500 années-lumière et son diamètre à environ 70 000 années-lumière, en sachant que du gaz prolonge l’ensemble pour un diamètre total de 100 000 années-lumière, voire plus. 

Et notre étoile ? Le soleil se trouve à environ 27 000 années-lumière du centre, relativement excentré donc, dans un endroit

appelé le bras d’Orion (voir : place du Soleil dans la Galaxie). Il s’agit d’une distance considérable qu’il faut constamment souligner tant les chiffres sont difficiles à appréhender. Rappelons que la plus proche étoile du Soleil est la naine rouge alpha du Centaure et qu’elle est située à 4,4 années-lumière ce qui veut dire que l’engin le plus performant que pourrait créer l’Homme mettrait, d’après les spécialistes, une dizaine d’années pour l’atteindre (à une vitesse d’à peu près la moitié de celle de la lumière). Avec ce moyen de transport (qui n’existe pas encore), il faudrait donc plus de 50 000 ans pour atteindre le centre galactique et 50 000 ans, c’est la durée qui nous sépare de la fin du paléolithique moyen, soit 10 000 ans avant l’Aurignacien qui vit apparaître des hommes aux caractéristiques modernes  !

les bras spiraux

   Difficiles à observer en raison de la position du Soleil, on a longtemps pensé qu’il y en avait quatre principaux partant du centre galactique (bras de Persée, bras de la Règle et du Cygne, bras Écu-Croix et bras Sagittaire-Carène). Il existe aussi deux bras plus courts dits mineurs dont l’un est important pour nous puisqu’il contient le Soleil : c’est le bras d’Orion (notre étoile se trouve sur son bord intérieur) qui est peut-être une branche du bras de Persée mais on n’en est pas encore totalement sûr.

   Toutefois, en 2008, le télescope Spitzer a quelque peu rebattu les cartes en démontrant que la Galaxie n’a probablement que deux grands bras spiraux (Persée et Écu), les deux autres étant relégués au rang de bras secondaires, l’ensemble formant une structure au fond plus conforme à celle d’une galaxie barrée. Nouveau changement il y a quelques mois : la Voie lactée retrouve ses quatre bras après un comptage approfondi de certaines catégories d’étoiles… En réalité, les deux opinions sont probablement exactes et complémentaires : les deux bras reconnus par Spitzer sont ceux qui contiennent la majorité des étoiles tandis que les deux autres sont plus riches en gaz. On en saura plus avec le satellite Gaïa lancé récemment…

le halo

   C’est la région de l’espace qui entoure les galaxies spirales et donc la Voie lactée. On y rencontre évidemment bien moins d’étoiles que dans le disque ou le bulbe et, de plus, ces étoiles

anciennes, toutes de catégorie II, ont des mouvements parfois étranges, des orbites rétrogrades ou fortement inclinées, voire totalement irrégulières. Certaines des naines rouges actuellement à proximité du Soleil (Groombridge 1830 à 29,7 années-lumière, Kapteyn à 12,8 années-lumière) sont suspectées de faire partie de ces étoiles du halo, de passage en quelque sorte dans le disque galactique qu’elles traversent de part en part…

   D’où viennent alors ces étoiles qui semblent échapper aux règles communes ? Eh bien très certainement de petites galaxies satellites de la Voie lactée qui ont été « capturées » au fil du temps. C’est, par exemple, le cas de la galaxie naine du Sagittaire (située de l’autre côté du disque par rapport au Soleil et donc difficile à observer) dont la Voie lactée « a phagocyté » un certain nombre d’étoiles qu’elle « a regroupé » dans des amas globulaires (voir plus bas). Cette galaxie naine (mais c’est également vrai pour les autres) devrait passer, elle, à travers la disque de la Voie lactée dans environ 100 millions d’années et elle y perdra nombre de ses étoiles avant d’être à terme définitivement absorbée.

   On rencontre donc dans ce halo de nombreux amas globulaires (150 sont visibles et il doit en exister bien d’autres). Ces amas comprenant chacun plusieurs dizaines de milliers d’étoiles se sont pour la plupart vraisemblablement formés en même temps que la Galaxie (d’autres, comme on l’a vu, ont été arrachés à des galaxies satellites) et c’est la raison pour laquelle leurs étoiles sont vieilles. Le cas particulier d’amas globulaires contenant des étoiles bleues, donc jeunes, n’a pas remis en cause cette notion comme on peut le lire dans le sujet dédié : amas globulaires et traînards bleus.

   Et puis il y a la « matière noire » bien présente dans le halo et sur laquelle nous allons revenir.

La galaxie tourne sur elle-même de façon complexe

   Toutes les étoiles de la Galaxie sont animées d’un mouvement en

fait conjugué : mouvement d’ensemble, galactique, et mouvement propre à chacune. Ces mouvements sont évidemment complexes et il existe plusieurs moyens de les calculer ; l’un des principaux est le calcul de la parallaxe d’une étoile, c’est-à-dire l’angle sous lequel peut être vue depuis une étoile une longueur de référence (par exemple le rayon de la Terre pour les étoiles proches). On peut également avoir recours au calcul de la vitesse radiale d’une étoile par l’étude du déplacement de ses raies spectrales par effet Doppler. Quoi qu’il en soit, on peut ainsi mettre en évidence que l’ensemble de la Voie lactée est en rotation autour de son centre, tournant dans le sens des aiguilles d'une montre.

   Toutefois, comme écrit plus haut, il existe deux déplacements pour une étoile comme le Soleil : général avec l’ensemble de la Galaxie et propre à lui-même dans son environnement immédiat ; le Soleil fait le tour de la Galaxie en 226 millions d’années (ce qui veut dire qu’il en est à son vingtième) à la vitesse de 250 km/s mais sa vitesse propre par rapport aux étoiles voisines de référence est de 19,5 km/s en direction de la constellation d’Hercule…

   Il ne faudrait pas croire que la Voie lactée tourne à la façon d’un gigantesque disque solide (comme ceux de nos anciens tourne-disques) car, en effet, la répartition des étoiles n’est pas la même partout. Au centre, elles sont nombreuses et rapprochées et ont donc des interactions les unes avec les autres tandis que, en périphérie où elles sont plus rares, les étoiles interagissent moins. La rotation de la Voie lactée rappelle celle d’un solide au niveau du bulbe tandis qu’elle est beaucoup plus variable en périphérie du disque et des bras spiraux. De plus vient se surajouter la présence de la matière noire…

La matière noire du halo

   C’est à Fritz Zwicky que l’on doit pour la première fois l’évocation d’une mystérieuse « matière », invisible et indétectable, mais à l’influence très importante sur les galaxies. En effet, le scientifique suisse avait, dès les années 1930, observé une grande structure galactique située à environ 300 millions d’années-lumière de nous, l’amas de Coma. Il avait calculé que la vitesse de certaines galaxies de cet amas pouvait atteindre les 1000 km/s, une vitesse qui, normalement, aurait dû tout simplement les expulser de la structure. Mais, bien sûr, ce n’est pas le cas : ces galaxies restent soudées les unes aux autres comme par une force mystérieuse. Zwicly en fut alors certain : tout cela ne peut relever que de la gravitation ce qui sous-entend qu’il existe une matière non visible dont la masse intervient. Il refit ses calculs et arriva à la conclusion que cette masse invisible, baptisée « matière manquante », pèse 500 fois plus que toute la matière visible de l’amas… Bien entendu, on ricana à ces affirmations et la découverte de Zwicky fut enterrée durant 40 ans…

   Dans les années 1970, c’est une américaine, Vera Rubin (1928-2016), qui se mit au travail sur la question. Les télescopes étant devenus plus

performants, on pouvait de ce fait distinguer individuellement certaines étoiles de la galaxie d’Andromède M31 et, surprise, l’astrophysicienne s’aperçut que les étoiles en périphérie d’Andromède tournent aussi vite que celles de son centre ! Une seule explication est envisageable : en fait, c’est toute la galaxie qui est le centre et elle est entourée d’une « périphérie » composée d’une matière invisible appelée matière noire…

   Aujourd’hui, on sait que cette matière noire est présente en quantité importante dans toutes les galaxies et notamment dans le halo de la Voie lactée : la vitesse de rotation de celle-ci devrait diminuer à grande distance du noyau central mais ce n’est pas le cas. Exactement comme pour la galaxie d’Andromède. Il existerait bien une autre explication qui serait que la théorie de la gravitation, la Relativité générale, est fausse ; peu de scientifiques croient à cette dernière hypothèse, surtout à un moment où on vient de mettre en évidence, fin 2015, les ondes gravitationnelles prédites par Einstein dans sa théorie, il y a plus de cent ans  ! Les spéculations sur la matière noire vont bon train (voir le sujet : matière noire et énergie sombre) mais sans réelle avancée jusqu’à présent.

   Andromède contient certainement plus d’étoiles que notre galaxie et, de ce fait, on pourrait dire qu’elle est plus grosse qu’elle mais elle est également plus massive puisque, selon des calculs récents, elle contiendrait deux fois plus de matière noire que la Voie lactée. Pourquoi et de quoi est faite cette matière noire ? Jusqu’à ce jour le mystère reste total.

Le groupe local

   On disait en préambule que les milliards de galaxies de l’Univers étaient regroupés dans des structures comprenant quelques dizaines d’entre elles, appelées groupes pour moins de cent galaxies ou amas pour plus de cent. À une échelle encore supérieure, ces groupes ou amas sont d’ailleurs eux-mêmes associés dans des structures géantes dénommés superamas. La Voie lactée ne fait pas exception et le groupe auquel elle appartient est tout simplement baptisé groupe local, une structure rassemblant une trentaine ou une quarantaine de galaxies (en raison de la poussière et de la position du Soleil, certaines sont difficiles à mettre en évidence).

   D’un diamètre d’environ 10 millions d’années-lumière, le groupe local est dominé par deux galaxies géantes, Andromède, la plus grosse, et la Voie lactée. Ces deux entités se rapprochent l’une de l’autre à la vitesse de 130km/s (soit 468 000 km/h) mais, encore séparées par une distance de 2,5 millions d’années-lumière, leur rencontre ne se fera pas avant plusieurs milliards d’années : la date est encore incertaine et le satellite Gaïa, déjà cité, devrait nous en dire plus en permettant de calculer plus précisément la vitesse d’Andromède.

   Chacune de ces deux géantes possède son cortège de galaxies satellites. Pour la Voie lactée (qui en a déjà absorbé plusieurs), il s’agit surtout des deux nuages de Magellan, galaxies irrégulières respectivement à 157 000 années-lumière pour le Grand Nuage (50 milliards d’étoiles) et à 197 000 années-lumière pour le Petit (25 milliards d’étoiles). Preuve de l’influence gravitationnelle considérable de la Voie lactée, il existe deux appendices liant les nuages à celle-ci et cela même si l’on n’est pas tout à fait sûrs que les dits-nuages seront complètement attirés. Autre galaxie satellite de la Voie lactée, celle du Grand Chien (la plus proche, à 25 000 années-lumière), celle du Sagittaire, déjà évoquée, et quelques autres plus petites (Petite Ourse, Dragon, Fourneau, Lion, etc.).

   La galaxie d’Andromède, quant à elle, a pour satellite principal la

troisième (et dernière) galaxie spirale du groupe, la galaxie du Triangle M33 dont la masse est estimée à 60 milliards d’étoiles (ce qui en fait la troisième plus massive du groupe local) mais représente à peine plus de 5% de la masse d’Andromède estimée à 1 000 milliards d’étoiles. Un cortège d’autres galaxies elliptiques naines, voire irrégulières, entoure Andromède tandis que quelques galaxies de taille modeste paraissent indépendantes.

Et au delà ?

   Le groupe local fait partie d'un superamas composé d'une centaine d'amas de galaxies dont le plus volumineux est l'amas de la Vierge (qui donne son nom au superamas) au diamètre impressionnant de 100 millions d'années-lumière. Le superamas de la Vierge est lié à d'autres superamas tels celui du Centaure, celui de l'Hydre ou encore celui de Pavo indus, le tout aboutissant à un ensemble d'environ 100 000 galaxies appelé Laniakea. Ce nombre est à comparer à l'estimation totale du nombre de galaxies présentes dans l'univers observable (93 milliards d'années-lumière environ) qu'on estimait à environ 200 milliards : récemment le télescope spatial Hubble a permis de réévaluer ce nombre à 2000 milliards. Chaque galaxie contenant une moyenne de 200 à 300 milliards d'étoiles et probablement beaucoup plus de planètes, nous arrivons alors à des chiffres impossibles à intégrer par le cerveau humain !

La Voie lactée, combien d’étoiles ?

   On vient de dire que la taille de la galaxie d’Andromède était estimée à 1 000 milliards d’étoiles, que l’on pensait à 50 milliards pour le Grand Nuage de Magellan, 25 milliards pour le Petit Nuage mais que sait-on à propos de notre galaxie elle-même ?

   Comme il est toujours difficile d’observer quelque chose dont on fait partie, après bien des hésitations, les scientifiques sont à peu près tombés d’accord pour estimer le nombre d’étoiles dans la Voie lactée compris dans une fourchette de 200 à 400 milliards. En 1985, un grand projet de comptage des étoiles de notre galaxie a été lancé au sein de l’Observatoire de Besançon. Le résultat de cette étude qui aura duré 25 ans a été donné en 2009 : la Voie lactée renferme 170 milliards d’étoiles (à quelques milliards d’incertitude près). Le nombre est moins important que celui attendu mais ce qui a surtout marqué les esprits, c’est la répartition des étoiles par types. En effet, l’étude montre que les petites étoiles, celles qui ont les masses les plus faibles, sont largement majoritaires : plus de 60% du total sont des naines rouges, bien moins lumineuses que le Soleil ! Justement, à propos de lui qui est une naine jaune, est-il bien une étoile moyenne comme on le présente habituellement ? Eh bien non : notre Soleil fait partie d’un groupe minoritaire puisque des étoiles ayant sa luminosité représentent moins de 15 % (2,5 milliards d’individus) de l’ensemble. De la même façon, les étoiles très lumineuses, ces géantes bleues ou rouges que l’on évoque si souvent, sont, elles, ultra-minoritaires, quelques millions seulement. En fait, ce sont « les obscurs, les sans-grade » qui dominent. D’autant que sur les 170 milliards d’astres recensés, près d’un tiers sont des étoiles ratées (naines brunes) ou des étoiles mourantes ou ne brillant plus (faiblement) que par leurs restes (comme les naines blanches).

   Il n’empêche : 170 milliards, cela fait quand même beaucoup d’étoiles et si l’on songe que chacune d’entre elles est susceptible de posséder plusieurs planètes, le nombre de celles-ci devient alors gigantesque. D’après les spécialistes des planètes extrasolaires, 70% des jeunes étoiles sont entourées de planètes de « taille terrestre » et beaucoup pensent que, si presque toutes les étoiles possèdent des systèmes planétaires, on peut avancer le chiffre de mille milliards de planètes dans la Voie lactée. Un chiffre qui ne laisse aucun doute sur la présence parmi elles de planètes tout à fait semblables à la nôtre…

   La Voie lactée est vaste et donc peuplée de beaucoup d’étoiles. Comme pour toute galaxie, on doit y observer des supernovas (voir : novas et supernovas), étoiles géantes mourantes qui, l’espace de quelques jours, illuminent le ciel de leur incandescence

fugitive. L’estimation des astronomes est qu’un tel événement devrait se produire 2 à 3 fois par siècle. Pourtant, la dernière supernova observée dans la Voie lactée date d’avant l’invention de la lunette astronomique puisque c’est Kepler lui-même qui décrivit une supernova apparue dans la constellation d’Ophiucus en 1604. Il s’agit là probablement d’une curiosité statistique. Quoi qu’il en soit, la plus connue des supernovas est celle de 1054 qui est visible de nos jours sous la forme d’un rémanent, la nébuleuse du Crabe (bien qu’elle ait probablement été moins intense que celle de l’an 1006, cette dernière ayant été, avec le Soleil, la seule étoile à avoir jamais produit des ombres à la surface de la Terre).

Le gigantisme de la Voie lactée : une poussière à l’échelle de l’Univers

   S’il est un élément qu’il convient de rappeler lorsqu’on parle d’astronomie, ce sont les distances si importantes entre les objets de l’espace que, le plus souvent, le cerveau humain n’arrive pas à les concevoir. La sonde Voyager 1, par exemple, aura mis pas moins de 30 ans pour sortir du simple système solaire et, pourtant, elle file à la vitesse de 17 km/s  ! Comme on l’a déjà dit, c’est en dizaines d’années qu’il faut envisager un voyage jusqu’à la plus proche étoile voisine : on imagine volontiers ce que représente des voyages vers le centre de la Galaxie ! Sans évidemment parler des voyages intergalactiques, tout bonnement impossibles… Reste que, statistiquement, la Vie existe très certainement quelque part au sein de notre galaxie mais que le problème est de la rejoindre, à supposer que l’on sache où chercher… Distances complètement infranchissables au sein même de notre propre galaxie… qui représente, par rapport à l’immensité de l’Univers, moins qu’un grain de sable à la surface de la Terre : oui, l’Homme est bien petit dans cette Nature immense.

Sources :

1. Wikipedia France

2. Science et Vie.com

3. Encyclopaediae Britannica

4. planete.gaia.free.fr

5. www.cosmovision.com

6. www.astronomes.com

Images :

1. Voie lactée en Australie (sources : tuxboard.com)

2. Voie lactée (sources : Wikipedia.org)

3. schéma galaxie barrée (sources : jacques.rosu.perso.sfr.fr)

4. place du Soleil dans la Galaxie (sources : maxisciences.com)

5. structuration d'une galaxie spirale (sources : nrumiano.free.fr)

6. galaxie des chiens de chasse M51 (sources : flashespace.com)

7. Véra Rubin (sources : spaceanswers.com)

8. galaxies du groupe local (sources : fr.wikipedia.org)

9. galaxie d'Andromède M31 (sources : media4.obspm.fr)

10. nébuleuse du Crabe (sources : hubblesite.org)

(pour lire les légendes des illustrations, passer le curseur de la souris dessus)

Mots-clés : Andromède M31 - groupe local - Edwin Hubble - bras d'Orion - télescope spatial Spitzer -  amas globulaires - galaxies satellites naines - matière noire - Fred Zwicky - Véra Rubin - ondes gravitationnelles - nuages de Magellan - supernovas - nébuleuse du Crabe

 (les mots en gris  renvoient à des sites d'information complémentaires)

Sujets apparentés sur le blog

1. place du soleil dans la Galaxie

2. les galaxies

3. matière noire et énergie sombre

4. novas et supernovas

5. Sagittarius A, le trou noir central de la Galaxie

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mise à jour : 19 mars 2023