« Galaxie » est un mot qui fait rêver, qui fait référence à de nombreux films et ouvrages, souvent de fiction. Mais en réalité qu'est-ce qu'une galaxie ? De quoi sont-elles faites ? Comment se sont-elles formées ? Autant de questions auxquelles Cloé Mahé, doctorante à l'Observatoire de la Côte d'Azur, répond en l'état actuel des connaissances.
De quoi sont constituées les galaxies ?
Une galaxie est composée d'étoiles et de matière interstellaire qui forment un ensemble dont l'équilibre est garanti par la gravité, qui est la même force qui fait tourner la Terre autour du Soleil. La « matière interstellaire » correspond à ce qu'on peut trouver entre les étoiles : du gaz comme de l'hydrogène par exemple et des poussières (des petits grains de matière accumulée). En plus des étoiles et de la matière interstellaire, on trouve d'autres objets dans les galaxies : des trous noirs, des étoiles à neutrons, des nébuleuses, des supernovae, des planètes tournant autour des étoiles... Tous les objets de l'Univers se trouvent en fait à l'intérieur des galaxies, car celles-ci absorbent la matière autour d'elle pour former de nouvelles choses.
Il existe un type d'objet plus grand que les galaxies : les amas de galaxies. Cela représente un ensemble de galaxies proches les unes des autres et situées dans une partie donnée de l'Univers. Selon la taille des structures, le nom qui leur est donné est différent. Par exemple : la Terre est dans le système solaire, lui-même dans la Voie Lactée (notre galaxie). La Voie Lactée est comprise dans l'amas de la Vierge. Cela nous permet de nous localiser dans l'Univers. Ci-dessous (Fig.1), une image d'un amas de galaxie appelé le Quintette de Stefan (car on y voit 5 galaxies), prise par le James Webb Space Telescope.
Fig.1 - un amas de galaxie appelé le Quintette de Stefan © NASA - James Web Space Telescope
Comment les galaxies se sont formées ?
Cette question est très pertinente car les théories actuelles ne sont pas définitives, ce qui veut dire qu'elles sont continuellement modifiées. Néanmoins, la théorie principale pour expliquer leur formation est que les galaxies grossissent à travers de nombreuses fusions avec des objets plus petits. Si on revient quelques temps après le Big Bang (Fig. 2), les particules de l'Univers commencent à former les premières étoiles dans des endroits très denses en gaz qu'on appelle halos. Par action de la gravité, qui attire entre elles toutes les structures massives, la naissance des étoiles entraîne toute la matière avec elles. Les halos commencent à se séparer en morceaux plus petits au fur et à mesure. Comme les premières étoiles étaient vraiment très grandes, elles meurent très vite, ce qui accélère la formation de nouveaux objets.
Fig.2 - Echelle chronologique du Big Bang à nos jours - © xxxxx
Avec le temps, ce schéma se répète et les halos sont de plus en plus riches en éléments chimiques et en objets divers et deviennent des galaxies. Des galaxies très petites et très jeunes, avec des étoiles très jeunes également. Pour grossir, ces proto-galaxies vont se mettre à fusionner entre elles, c'est-à-dire se manger les unes et les autres. Pour donner une image, prenez deux petites bulles de savon qui se rencontrent et ne forment plus qu'une seule bulle plus grosse. De la même façon, les galaxies vont se manger de plus en plus, absorbant de la matière, créant de nouvelles étoiles et de nouveaux objets, jusqu'à devenir les grandes galaxies dites « évoluées » que nous voyons autour de la notre. Cet historique nous permet de mieux comprendre les différents types de galaxies : elliptiques, spirales, lenticulaires... (Fig.3).
Fig. 3 - Classification des galaxies - © xxxxx
Un bon exemple de cette construction est d'ailleurs notre Voie Lactée, dont les chercheurs ont prouvé le passé de dévoreuse en découvrant dans notre entourage des étoiles de composition très différentes de nous. Ils ont mis en lumière une fusion avec un autre objet de petite taille. L'anecdote est amusante car les chercheurs européens ont décidé de nommer cet objet « Gaia-Encelade », tandis que les américains lui ont donné le nom de « Sausage » (saucisse en anglais). Une fusion similaire est prévue d'ici 5 milliards d'années avec la galaxie d'Andromède, la galaxie la plus proche de la Voie Lactée.
Quelles sont les choses les plus importantes dans une galaxie ?
En partant de la définition des galaxies, les éléments les plus importants restent le gaz et la poussière qui mènent ensemble à la formation de tous les autres objets qui existent. Les étoiles se forment donc dans les galaxies et leur masses contribuent à son équilibre. La masse cumulée des étoiles d'une galaxie est la plus importante part de la masse de la galaxie. Pour la Voie Lactée, on estime le nombre d'étoiles à 300 milliards (sachant qu'on en connait 1.8 milliard), ce qui représente un masse 46 milliards de fois celle du Soleil.
Il y a cependant encore deux éléments importants pour les galaxies, en tout cas pour une galaxie jeune. Tout d'abord, au centre se trouve un trou noir supermassif, c'est-à-dire un trou noir de masse très élevée et qui attire et maintient par gravité la galaxie. Pour la Voie Lactée, celui-ci s'appelle Sagittarius A* et pèse environ 4 millions de fois le Soleil. Une étude récente a permis de le photographier (Fig. 4). Certaines galaxies n'ont pas de trou noir supermassif, mais pour celles qui en ont, c'est un élément crucial qui un impact sur toute la galaxie.
Fig. 4 - Sagittarius A*, le trou noir au centre de la Voie Lactée - © ESO
Enfin, le dernier élément considéré à l'heure actuelle comme crucial est la matière noire. On l'appelle matière noire car on ne sait pas ce que c'est, mais nous savons qu'elle a une masse et qu'elle impacte la formation de la galxie, par gravité. A ce jour, personne ne sait exactement ce qu'est la matière noire, ni à vrai dire si elle existe, mais elle représente un dernier élément inconnu sur nos galaxies, comme la dernière pierre de l'édifice.
