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La classification des galaxies

Le cosmos est inondé de milliards de milliards de galaxies de formes très diverses. La classification dont le très célèbre astronome américain Edwin Powell HUBBLE (1889-1953) sera le premier en 1925 à la proposer, permet de faciliter l'étude des galaxies en les regroupant suivant des critères communs. La carrière de cet astronome fut totalement tournée vers l'amélioration de la compréhension de la nature de l'Univers (ce qui explique l'utilisation de son nom pour baptiser le télescope spatial au début des années 90). Son observation d'un décalage vers le rouge du spectre de certaines galaxies montra qu'elles s'éloignaient les unes des autres et que nous étions en présence d'un Univers en expansion (vitesse proportionnelle à leur distance - Loi de Hubble).

Pour parvenir à cette loi révolutionnaire pour l'astronomie, HUBBLE combina de nombreux travaux de mesures spectroscopiques menés depuis l'observatoire Lick (James Edward Keeler et William Wallace Campbell) et depuis l'observatoire Lowell (Vesto Melvin Slipher). En collaboration avec Milton Humason, il parvient sur des critères d'observation et de mesures à la relation de vitesse et de distance en 1929, validant la thèse de la théorie du Big Bang proposée en premier lieu par le physicien et mathématicien russe Alexandre Friedmann (1888-1925) en 1922. Avec un certain nombre d'autres scientifiques de l'époque, il participe alors à l'alimentation de la théorie d'un big bang initial initiée par le chanoine catholique belge, Georges Lemaître (1894-1966) et l'élève américano-russe de Friedmann, George Gamow (1904-1968). HUBBLE observa à partir des télescopes les plus puissants au monde à son époque (Mont Wilson, Palomar). En parallèle, en 1923-1924, il répond depuis le Mont Wilson avec le télescope Hooker de 2,5m de diamètre à la vieille interrogation concernant beaucoup de "nébuleuses" observées dans des télescopes moins puissants : Ce sont des milliards d'autres galaxies si éloignées qu'on ne pouvait pas résoudre leur structure précédemment d'une façon formelle. Sa découverte est officialisée le 30 décembre 1924.

Six grandes familles de galaxies s'en détachent clairement :

  • La galaxie spirale
  • La galaxie spirale barrée
  • La galaxie elliptique
  • La galaxie lenticulaire
  • La galaxie irrégulière
  • Les galaxies spéciales

La séquence de HUBBLE est presque complète lorsqu'un astronome franco-américain, Gérard Henri de Vaucouleurs (1918-1995) ajoute une quatrième séquence à la grande famille des galaxies spirales : la sous-famille Sd. La répartition des galaxies est de 13% pour les elliptiques, 21,5% pour les lenticulaires, 61,1% pour les spirales, 3,4% pour les irrégulières et 0,9% pour les galaxies spéciales. Cette répartition demeure cependant encore très subjective, même aujourd'hui, car celle-ci se basant uniquement sur l'univers connu.


La galaxie spirale

Bien que six familles de galaxies existent, la galaxie spirale est l'image mentale stéréotypée que tout individu se fait en règle générale à la simple évocation du mot "galaxie" pour la première raison bien simple que les spirales constituent à elles-seules 60% de l'Univers local.

Une galaxie est en règle générale un univers-île (ensemble de plusieurs centaines de milliards d'étoiles retenues par gravitation autour d'un bulbe sous la forme aplatie d'un disque contenant de façon variable d'importantes quantités de gaz et de poussières ; l'halo extérieur le moins dense et le plus discret étant marqué par des regroupements d'étoiles en amas globulaires).

Les galaxies spirales font partie des objets les plus beaux du ciel compte-tenu de l'enroulement caractéristique de leurs bras en forme de spirale dont les représentantes les plus emblématiques se retrouvent dans le catalogue Messier (voir catalogues d'objets) tels que M31 (Galaxie d'Andromède), M33 (Galaxie du Triangle), M51 (Galaxie du Tourbillon ou galaxie des Chiens de Chasse), M63 (Galaxie du Tournesol), M64 (Galaxie de l'Oeil noir), M81 (Galaxie de Bode, M101 (Galaxie du Moulinet). Leur diamètre est généralement compris entre 50000 et 200000 années-lumière pour une masse se situant aux environs de 1010 masses solaires (le diamètre de notre galaxie aurait été évalué aux environs de 100000 années-lumière).

Les galaxies spirales sont très dynamiques puisque le lieu de naissance des étoiles ; Bien souvent les spirales sont en grande partie composées d'étoiles assez jeunes, tandis que les plus vieilles constituent l'halo diffus extérieur discret déjà évoqué plus haut. Les étoiles jeunes ne peuvent se former qu'à partir de concentrations d'un milieu interstellaire ne s'opérant que dans un disque galactique de nature spirale. Beaucoup de galaxies spirales (tout comme les galaxies elliptiques) sont perturbées par l'hébergement de trous noirs supermassifs en leur bulbe.


La galaxie spirale barrée

Les galaxies spirales barrées est une forme ayant longtemps intrigué les astronomes. Au même titre que les spirales simples, elles sont relativement nombreuses. Des simulations sur ordinateur montrent son apparition dans le cadre du croisement de deux galaxies entraînant peu de collisions. Ce type de croisement est précisément prévu entre notre galaxie et celle d'Andromède dans plusieurs milliards d'années. D'autres données conduiraient à la conclusion inverse, à savoir que la galaxie spirale barrée serait en réalité la forme initiale primitive de toute galaxie, c'est à dire la genèse de la plupart des spirales régulières classiques.

Contrairement à une spirale ordinaire, la spirale barrée présentent des bras spiraux semblant immerger d'une bande d'étoiles centrale. Hubble, initialement, avait repéré trois catégories de spirales barrées (SBa, SBb et SBc). Tandis que la SBa présente des bras très resserrés, la SBc à l'opposé présente des bras très détachés ; la SBb étant la classification intermédiaire. La quatrième catégorie, la SBm apparaîtra plus tard pour qualifier des spirales barrées irrégulières dont l'exemple le plus pertinent sont les fameux Nuages de Magellan dans le ciel austral.

L'existence de cette barre centrale a fait émerger un grand nombre d'hypothèses. Parmi toutes celles-ci, une seule se détache nettement selon laquelle il s'agirait d'une structure agissant comme une pouponnière nourrissant de jeunes étoiles. Une résonance orbitale drainerait le flux de gaz conduisant à la création très active d'étoiles sous la forme d'un radiant conduisant à reformer les orbites des étoiles internes ; cet effet impliquerait sur une échelle de temps relativement longue à une éjection progressive des étoiles vers l'extérieur conduisant à l'agrandissement de la barre ainsi qu'à l'alimentation des bras.

Notre propre galaxie, depuis peu, en 2005, a été déclassifiée de la catégorie des spirales simples pour rejoindre celle des spirales barrées suite aux observations du télescope spatial Spitzer étayant les preuves conduisant à ce changement. Jusqu'alors, on suspectait déjà ce type de structure à partir d'observations dans les ondes radio mais l'infrarouge a fourni une liste d'éléments beaucoup plus probants et précis. L'étude du noyau de la voie lactée a conduit à la découverte d'un bulbe ayant une forme de cacahuète.

Egalitairement aux spirales simples, les spirales barrées comptent parmi les plus beaux objets du ciel. Les plus extraordinaires sont sans contexte, M58, M83, M109, NGC 1300, NGC 1365 et bien sûr la grande galaxie du Sculpteur.


La galaxie elliptique

Initialement, Hubble pensait que les elliptiques étaient des galaxies primitives en devenir. Pour lui, l'elliptique était le premier état initial d'une galaxie avant que celle-ci ne devienne spirale. L'évolution de nos connaissances scientifiques contribuent aujourd'hui à la conclusion inverse car les elliptiques sont des galaxies contenant massivement des étoiles vieilles tandis que les spirales sont des pouponnières de jeunesse. Les simulations informatiques démontrent que la fusion d'au moins deux galaxies spirales conduisent très majoritairement à la formation d'une galaxie elliptique. Des étoiles majoritairement vieilles est une caractéristique que les elliptiques partagent avec les amas globulaires ; du coup, on peut apparenter une galaxie elliptique à un amas globulaire ultra-massif. Malgré leur aspect visuo-simpliste, les elliptiques sont des objets très complexes, découlant justement de leur histoire étonnante de cannibalisme cosmique.

Les elliptiques se retrouvent dans une très large plage de tailles et de luminosités, de la géante de plusieurs centaines de milliers d'années-lumière à la naine. Du coup, cinq groupes morphologiques ont pu être identifiés :

  • Galaxie cD (des objets immenses et brillants pouvant mesurer jusqu'à 3 millions d'années-lumière situés dans de denses amas de galaxies)
  • Galaxie E (objets condensés avec une surface centrale relativement brillante)
  • Galaxie dE (objets nains bien plus diffus, avec diamètre et luminosité de surface bien plus basse que les galaxies E)
  • Galaxie dSph (objets nains sphéroïdaux de luminosité de surface extrémement basse observées seulement au voisinage de la Voie Lactée)
  • Galaxie BCD (objets nains compacts bleus suggérant des zones actives de formation d'étoiles, contenant un abondant gaz interstellaire)

La constellation de la Vierge est le siège bien connu des amateurs pour localiser des elliptiques en grand nombre réparties en amas suffisamment lumineux pour les petits télescopes. Des plus célèbres, la galaxie elliptique géante M87 découverte en 1781 par Charles Messier (connue également sous le nom de radiogalaxie Virgo A) est la plus brillante de tous, détenant le record du nombre d'amas globulaires (plus de 800) ; elle est le siège d'un trou noir supermassif se caractérisant par un jet de plasma évoluant en lumière polarisée, émergeant du coeur et s'étendant dans l'univers sur environ 5000 années-lumière.


La galaxie lenticulaire

Les galaxies lenticulaires se démarquent des spirales et des elliptiques par leur structure à disque sans bras spiraux clairement définis et leur forme rappelant celle d'une lentille optique convergente d'où l'origine de leur appelation. Dans la séquence de Hubble, elles représentent la transition entre spirales et elliptiques compte-tenu que Hubble pensait initialement à tord que les elliptiques étaient les objets primitifs conduisant à des spirales.

On trouve dans les lenticulaires très peu d'étoiles en formation, tandis qu'elles contiennent une grande quantité de poussière interstellaire. Sur de nombreux points, la galaxie lenticulaire ressemble très majoritairement à l'elliptique avec une présence largement majoritaire d'étoiles âgées et d'amas globulaires, en comparaison avec une galaxie spirale de masse ainsi que luminosité équivalentes.

L'explication de leur formation se divise en deux grandes hypothèses :

  • Une galaxie spirale ayant épuisé tout son gaz dans la formation d'étoiles conduisant à la dissipation progressive de son motif en spirale.
  • Le fruit d'une fusion galactique augmentant la masse totale stellaire donnant à la galaxie nouvellement formée sa forme caractéristique

IC 1101, NGC 2787, NGC 5866 mais surtout la très célèbre galaxie du Sombrero (M104) en constituent les meilleurs exemples.


La galaxie irrégulière

Les galaxies irrégulières portent bien leur nom par l'absence totale de structure régulière ou discernable dans leur forme générale. Le seul point commun semblant les caractériser est leur taille naine. Souvent riches en gaz, poussières et en jeunes étoiles brillantes, leur petite taille les rend toutefois difficile à détecter et cela d'autant plus à cause de leur proximité fréquente de galaxies plus grosses telles que des galaxies spirales. Certainement très nombreuses durant les premiers instants de l'univers, elles ne constituent plus que 10% de l'univers observable.

Il a été prouvé scientifiquement que les galaxies irrégulières sont certainement la forme primitive d'une galaxie puisque l'exemple le plus connu de galaxies irrégulières représenté par les nuages de Magellan dans le ciel austral sont bien justement des galaxies de masses trop faibles n'ayant pas pu finir leur formation pour prendre la forme de spirale. Cependant, l'irrégularité de forme peut également provenir d'une fusion de galaxies de tailles semblables, d'une déformation sous l'effet de l'influence gravitationnelle d'une voisine plus massive, d'une collision très violente entre galaxies ou bien encore d'une forte activité interne dans le noyau.


Les galaxies spéciales

Des galaxies de l'univers visible sont dites "spéciales" car elles présentent des caractéristiques les rendant uniques.

Elles se différencient des galaxies ordinairement cataloguables par :

  • Des émissions dans les ondes radio
  • Des sursauts de formation d'étoiles
  • Une faible brillance de surface
  • Une très grande activité
  • Une luminosité très élevée dans l'infrarouge
  • Leur type "Seyfert" (Galaxies spirales ou irrégulières se démarquant par un noyau extrémement brillant surpassant la luminosité de tout le reste de l'objet)
  • Leur absence de production d'étoiles (totalement obscures, elles sont très difficilement détectables)
  • Leur type "LINER" (Type de noyau galactique dont le spectre d'émission est caractérisé par de larges raies d'atomes faiblement ionisés)

Trois galaxies courantes du ciel observables dans de simples instruments d'amateur appartiennent ainsi au cercle des spéciales :

  • L'elliptique M87 dite Radiogalaxie Virgo A (Ondes radio, grande activité, Rayons X)
  • La célèbre galaxie irrégulière M82 de la Grande Ourse (Ondes radio, grande activité, forte émission en infrarouge, sursaut de formation d'étoiles)
  • La galaxie M104 "Sombrero" (Type "LINER", grande activité, forte émission en infrarouge)

Arnaud FIOCRET © 2013-2014

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