Les galaxies sont des ensembles d’étoiles (entre 10 millions et 100 milliards), de gaz et de poussières.

Pour commencer observons la galaxie la plus proche de nous, notre propre Galaxie : La Voie Lactée. L’image ci-dessous est une photographie panoramique de la Voie Lactée. Les trois ingrédients composant les galaxies sont clairement visibles sur cette image.

Milky Way Galaxy

• Les étoiles – À l’œil nu, la Voie Lactée apparaît comme un nuage blanchâtre. Sur cette photographie nous pouvons constater qu’elle est constituée en réalité d’une myriade d’étoiles. En étudiant leurs spectres (voir TP Étoiles) nous arriverions à la conclusion que les étoiles constituant notre Galaxie ont des masses et des températures variées.

• Le gaz - Le gaz contenu dans la Galaxie (essentiellement de l’hydrogène) se trouve sous plusieurs états. Il existe dans notre Galaxie des grands nuages froids d’hydrogène moléculaire représentant approximativement la moitié de toute la masse de gaz dans la région comprise dans l’orbite du Soleil. C’est au sein de ces nuages que naissent les étoiles par effondrement gravitationnel. La signature spectrale des nuages moléculaires est observable dans le domaine radio millimetrique (raies du monoxyde de carbone CO).

  Après leur naissance au sein d’un nuage moléculaire, les étoiles les plus massives ionisent le gaz environnant. Il se forme alors des nuages de gaz ionisé appellés nébuleuses en émission. Sur la photographie, les nébuleuses en émission sont clairement reconnaisables à leur teinte rouge-rose due à la couleur de la raie d’émission de l’hydrogène Halpha à 656.3 nanomètres.

• La poussière – Les galaxies contiennent aussi de la poussière que les étoiles ont formée pendant leur vie et qu’elles ont ejecté dans le milieu interstellaire. Ces particules de poussière ont la propriété d’absorber la lumière émise par les étoiles, exactement comme la poussière suspendue dans l’air absorbe la lumière du Soleil. Ainsi, depuis la Terre nous ne pouvons observer (dans le domaine de la lumière visible) qu’une petite partie de notre Galaxie. La poussière distribuée sur le plan de la Galaxie, absorbe une grande partie de la lumière provenant du centre galactique et au delà. Sur la photographie de la Voie Lactée les régions en noir ne sont pas des zones vides d’étoiles et de gaz mais des régions où la poussière a absorbé pratiquement toute la lumière en arrière plan.

  L’absorption par la poussière est un effet chromatique : la poussière diffuse beaucoup plus la lumière bleue que la lumière rouge. La poussière eteint et rougit la lumière des objects astrophysiques.

  Étoiles, gaz et poussière sont les ingrédients principaux des galaxies. Chacune de ces composantes a sa propre signature spectrale. L’outil fondamental des astronomes extra-galactiques est l’analyse des spectres des galaxies. À partir des spectres, les astronomes réussissent à déterminer :

  1. L’âge des populations d’étoiles
  2. La composition chimique du gaz
  3. La quantité de poussière

  Mais aussi :

  1. Dynamique des galaxies (mouvement des étoiles et du gaz).
  2. Distance (décalage vers le rouge)

  Les questions que vous trouverez au cours de ce TP sur l'analyse des Spectres observés de galaxies vous permettrons d'approcher le travail de l'astrophysicien extra- galactique.

Spectre d’émission - Considérons un nuage chaud et ténu d’hydrogène. Les atomes entrent en collision entre eux, et l’énergie des collisions peut transférer un électron vers un niveau d’énergie supérieur. En retombant l’électron émet un ou plusieurs photons de longueur d’onde propre à l’hydrogène. Dans le domaine visible, le résultat sera un spectre appelé spectre d'émission, car on y voit des raies d’émission.

Spectre thermalisé ou du corps noir - Contrairement au nuage ténu, un corps noir a une densité élevée. Avant de sortir du corps noir les photons créés par les atomes subissent de multiples collisions avec ceux-ci. Ceci a pour effet de redistribuer les photons sur toutes les longueurs d’ondes, donnant ainsi la distribution du corps noir. Lorsqu’on analyse le spectre d’un corps noir on obtient une bande continue de lumière allant du rouge au violet : c’est un spectre continu. Tous les objects en équilibre thermique, c’est à dire caractérisés par une température propre (comme les étoiles), ont une émission voisine de celle d’un corp noir.

Spectre en absorption - Il existe une troisième classe de spectres : les spectres d’absorption. Un spectre d’absorption se forme lorsqu’un faisceau de lumière continue passe par un nuage ténu et froid. Seuls les photons correspondant aux transitions permises sont absorbés par les atomes du nuage puis réémis dans diverses directions. On obtient un spectre continu (corps noir) avec des raies noires correspondant aux absorptions. Le spectre de la lumière solaire est un exemple de spectre d’ émission. Les raies d’absorption se forment quand la lumière du soleil passe les couches ténues de l’atmosphère solaire. On peut ainsi déterminer la composition chimique de l’atmosphère du Soleil.

Types de spectres

Crédit : Observatoire de Paris

Le programme Spectrum Explorer permet d’afficher les spectres de divers objets astrophysiques (étoiles, nébuleuses, galaxies, etc..) en représentation 2D (l’image qui sort du spectrographe) et sa représentation en 1D.

Charger le programme Spectrum Explorer, sur le site Project LITE. Ce programme est libre et multiplateforme.

Chargement du spectre de NGC 5236

• Ouvrir le programme Spectrum Explorer. Double cliquer sur l’icône spex_v3.jnpl
• Dans le menu Astronomy, cliquer sur Hubble Tuning Fork
• Cliquer sur l’image de la galaxie NGC 5236

Spectrum Explorer pour afficher le spectre observé

Crédit : Project LITE Spectrum Explorer / Observatoire de Paris

C’est l’image à la sortie du spectrographe. Le rectangle à droite represente la couleur l’objet vu sans spectrographe. Tout les pixels d’une même colonne ont la même longueur d’onde.

Spectre

Crédit : Project LITE Spectrum Explorer / Observatoire de Paris

C’est la représentation utilisée par les astronomes avec en abscisse la longeur d’onde en nanomètres et en ordonnée l’intensité de la lumière. Il est possible de changer l’unité en abscisse en fréquences ou énergie dans le menu plot. Rappel : λ=c/ν où λ est la longueur d’onde, ν la fréquence et c la vitesse de la lumière dans le vide.

Spectre 1D

Crédit : Project LITE Spectrum Explorer / Observatoire de Paris

Revenons au spectre de la galaxie NGC 5236 affiché à l'écran par Spectrum Explorer (spex_v3.jnlp)

La couleur d’une galaxie est essentiellement due aux types d’étoiles la composant. En effet, le spectre continu et les raies d’abosrption d’une galaxie proviennent presque exclusivement de la lumière émise par ses étoiles. Ainsi, la lumière qui nous provient d’une galaxie est un mélange de tous les spectres de corps noir émis par les étoiles. En comparant le spectre d’une galaxie à celui d’une étoile, il est possible de trouver le type d’étoile qui la compose majoritairement.

Dans cette partie du TP nous allons comparer le spectre d’une galaxies spirale M33 et d’une galaxie elliptique NGC 4472 et en déduire le type d’étoiles qui les constituent.

m33

M33 Galaxie spirale

Crédit : APOD-NASA

NGC4472

NGC4472 Galaxie elliptique

Crédit : HST

Comparaison de spectres de galaxies

Difficulté : ☆  

Question 1)

À partir des images des deux galaxies nous pouvons constater que ces deux galaxies ont des couleurs trés différentes. La galaxie spirale est bleutée avec des zones rouge- rose (les nébuleuses d’émissions) alors que la galaxie elliptique est jaune-rouge. Qu'en est-il de leur spectre ?

Utilisez à nouveau le programme spex_v3.jnlp (Project LITE Spectrum Explorer) pour afficher les spectres des galaxies M33 et NGC4472.

Pour afficher les spectres des galaxies en deux dimensions et au dessous en une dimension :

1. Dans le menu Astronomy, cliquer sur Hubble Tuning Fork
2. Cliquer sur l’image de la galaxie M33
3. Cliquer sur l’image de la galaxie NGC 4472

Comparaison de spectres

spectres des galaxies M33 (tracé vert) et NGC4472 (tracé bleu)

Crédit : Project LITE Spectrum Explorer / Observatoire de Paris

Question 2)

Retrouvez-vous la différence de couleur visible sur l’image des galaxies au niveau de leur spectre ?

Question 3)

Remplir le tableau suivant à partir des informations de la figure H- R diagram