Visite de la Voie Lactée

Auteur: François Hammer

Notre Galaxie : la Voie Lactée

La Voie Lactée est de loin le plus vaste objet du ciel nocturne, dont elle occupe une importante fraction. Elle est observable de préférence par une nuit sans Lune et surtout sans pollution lumineuse. La Voie Lactée apparaît comme une longue traînée blanchâtre qui traverse tout le ciel nocturne sur 360 degrés. Cela est dû au très grand nombre d'étoiles qui constituent la Voie Lactée, leurs lumières se superposant pour donner cette allure blanchâtre. C'est en l'observant avec une lunette astronomique que Galilée a pu en résoudre les étoiles individuelles. Toutes les étoiles que nous apercevons à l'oeil nu font partie de la Voie Lactée.

Le système solaire fait partie de la Voie Lactée. Notre Galaxie est dominée par son disque, une immense "assiette". Etant à l'intérieur du disque, nous voyons celui-ci de côté, comme une longue traînée d'étoiles, la Voie Lactée. Celle-ci contient de 150 à 250 milliards d'étoiles, du gaz dans différentes phases (chaud et moléculaire) ainsi que de la poussière qui absorbe la lumière visible, ce qui explique les traînées sombres dans les parties les plus centrales de la Galaxie.

La Voie Lactée sur 360°
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Image recomposée de la voûte céleste sur 360 degrés, à partir de 1200 clichés photographiques couvrant le ciel nocturne dans les hémisphères Nord (à gauche) et Sud (à droite). Cette image reconstituée et en couleur montre la variété des composantes de la Galaxie. On notera en bas et à droite du disque deux concentrations d'étoiles : ce sont le Grand et le Petit Nuage de Magellan qui sont les "joyaux" du ciel de l'hémisphère Sud.
Crédit : ESO/Serge Brunier

La structure de notre Galaxie

Notre Galaxie est une galaxie de type "spirale". Elle est dominée par un disque dont les étoiles tournent autour du centre qui est constitué d'un bulbe et d'une barre. Entre 70% à 80% des étoiles sont dans le disque qui a un diamètre de 90 000 années-lumière pour une épaisseur de seulement 2500 années-lumière. Le disque est constitué de plusieurs bras spiraux dans lesquels se concentre la majorité des étoiles. On pense que les bras se forment naturellement par des instabilités gravitationnelles induites lors de la rotation du disque. Les deux bras spiraux qui dominent la Galaxie sont ceux de Scutum-Centaurus et de Perseus, le Soleil se trouvant dans un bras secondaire, appelé bras d'Orion.

Structure de la Galaxie
MW_structure.jpg
Montage de l'image observée de la Galaxie vue de côté (en haut) avec une représentation schématique de sa morphologie, si elle était vue de face (en bas). Cette représentation indique la présence du bulbe et d'une barre en son centre, les deux bras spiraux principaux étant associés à la barre.
Crédit : montage d'une image ESO/Serge Brunier et d'une image NASA

Pour découvrir la structure de la Galaxie il a fallu l'observer à de nombreuses longueurs d'onde pour s'affranchir de l'extinction due aux poussières, en particulier en direction du Centre Galactique. C'est l'observation d'un très grand nombre d'étoiles vers le centre qui a permis d'identifier la présence de la barre.


Exercice : la Galaxie, sa structure et nous

exerciceStructure de la Galaxie

Difficulté : ☆☆  

Question 1)

De quel type est la Galaxie ? Quel est la composante (bulbe, barre ou disque) qui contient le plus d'étoiles ?

Question 2)

Quel est le rapport entre le diamètre du disque et son épaisseur ? Comparez-le à celui d'une grande assiette.

Question 3)

Observez l'image de la Galaxie vue de face et comparez les bras spiraux au mouvement de l'eau qui s'écoule dans un évier. Quel est le sens de rotation de la Galaxie sur cette image : horaire (dans le sens des aiguilles d'une montre) ou anti-horaire ?

exerciceLe Soleil est-il dans la Galaxie ?

Difficulté : ☆☆☆  

Question 1)

La Voie Lactée est une longue bande de lumière qui partage le ciel quelque soit la position et l'époque d'observation. On en déduit qu'elle s'étend sur 360 degrés, c'est-à-dire le long de l'ensemble de la voûte céleste. Qu'est-ce que cette observation implique sur la position du Soleil dans la Galaxie ?


Notre position dans la Galaxie

Le Soleil est une des nombreuses étoiles du disque de la Galaxie. Il est presque exactement dans le plan du disque, avec une distance au Centre Galactique de 28 000 années-lumière. Le Soleil tourne autour du Centre Galactique avec une vitesse de 230 km/s.

Le Soleil dans la Galaxie
Schema_MW.jpg
Position et vitesse du Soleil dans la Galaxie.
Crédit : Montage utilisant un schéma NASA

Pour connaître précisement notre position dans la Galaxie, il est nécessaire de déterminer les distances des étoiles. La distance aux étoiles proches est déterminée par les effets dit de parallaxe. Ceux-ci utilisent leurs variations en position sur le ciel, lorsqu'elles sont observées de la Terre à deux positions différentes autour du Soleil. Le satellite GAIA, lancé par l'ESA en 2013, a observé la position de près d'un milliard d'étoiles ! La distance aux étoiles plus lointaines est déterminée grâce aux propriétés particulières de certaines étoiles variables, les Céphéides, dont la période de variabilité dépend de leurs luminosités intrinsèques.


Test : le Soleil dans la Galaxie

exerciceLe Soleil et la Galaxie

Difficulté : ☆☆  

Question 1)

La trajectoire du Soleil peut être approximée à un cercle avec un rayon de 28 000 années-lumière. Avec une vitesse de 230 km/s, en combien de temps le Soleil parcourt-il un tour complet ?

Question 2)

Le Soleil s'est formé il y a 5 milliards d'années. Combien de tours autour du Centre Galactique a-t-il parcouru ?

exerciceLa Galaxie et nous

Difficulté : ☆☆  

Question 1)

Les amas globulaires sont des amas d'étoiles qui se sont formés aux toutes premières époques. En observant les amas globulaires dans d'autres galaxies, on s'aperçoit qu'ils se distribuent autour de leurs centres. En 1920 Harlow Shapley, un astronome américain, a montré que les amas globulaires étaient centrés autour d'un point situé à plusieurs dizaines de milliers d'années-lumière du Soleil. Que cela nous dit-il sur notre position dans la Galaxie ?


Poursuite du voyage : le Centre Galactique

Le centre Galactique est situé dans la constellation du Sagittaire. Il est très difficile à observer car nous sommes au beau milieu du disque de la Galaxie et de nombreuses poussières absorbent la lumière visible qui peut nous provenir du Centre de la Voie Lactée. Il faut donc l'observer aux longueurs d'onde infra-rouges ou radio qui sont beaucoup moins affectées par la poussière.

A ces longueurs d'onde, le Centre Galactique est extrêmement lumineux, malgré sa distance, 28 000 années-lumière. Le Centre Galactique contient du gaz qui est chauffé par les émissions de nombreuses étoiles jeunes ou en formation.

Le Centre Galactique
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A droite : observation du Centre Galactique aux ondes radios qui ne sont pas affectées par les effets d'extinction dus aux poussières. A gauche : zoom sur une région de 20 années-lumière, observée en infra-rouge qui révèle la position de plusieurs étoiles. La flèche rouge indique Sagittarius A qui est proche du centre exact de la Galaxie.
Crédit : Naval Research Laboratory et ESO

Le trou noir central de la Galaxie

La Galaxie avec plus de 100 milliards d'étoiles est immensément massive. Que peut contenir son centre ? Les astronomes ont observé le centre de la Galaxie durant plus de dix ans pour observer les mouvements propres des étoiles. La plupart des étoiles ont des orbites bien ordinaires. Cependant, l'une d'entre elles (voir vidéo) montre une trajectoire avec une accélération considérable lorsqu'elle passe au voisinage d'un point n'émettant aucune lumière. La masse nécessaire pour produire une telle orbite elliptique peut être calculée : 3,7 millions de fois la masse du Soleil ! Comment une telle masse peut-elle se concentrer dans un si petit espace sans qu'aucune émission lumineuse soit détectée ? C'est aujourd'hui la preuve la plus concrète de l'existence d'un trou noir massif au coeur de notre Galaxie.

Découvrir le trou noir central de la Galaxie
Animation basée sur des images infra-rouges du centre de la Galaxie. Elle a été réalisée à partir d'observations obtenues de 1992 à 2007. Sur ces quinze années, il devient possible d'observer les mouvements individuels des étoiles, grâce à un système d'amélioration de la qualité d'image, dite "optique adaptative". Observez plus précisement la trajectoire d'une de ces étoiles, appelée S2, au voisinage de la croix. Ces images ont été obtenues par le "Very Large Telescope (VLT)" avec l'instrument NACO dont les performances en optique adaptative ont été réalisées par une équipe de l'Observatoire de Paris.
Crédit : ESO

Exercice : preuve du trou noir au coeur de la Galaxie

exercicetaille du trou noir au centre de la Galaxie

Difficulté : ☆☆  

Question 1)

A son plus proche passage, l'étoile S2 se trouve à 15 milli-arcsecondes du trou noir supposé de la Galaxie. Connaissant la distance du Centre Galactique (28 000 années-lumière), en déduire la taille maximale, en temps-lumière ou en unités astronomiques du trou noir. Comparez cette valeur à celle de l'étendue du système solaire, jusqu'à l'héliopause. Qu'en déduisez-vous ?


Un apparté : quelques propriétés surprenantes des trous noirs

Les trous noirs fascinent le grand public par leurs propriétés exceptionnelles. Par définition un trou noir est un corps massif et compact exerçant une telle force gravitationnelle à sa surface, que même la lumière ne peut s'en échapper. Pour définir un trou noir, il faut d'abord définir la vitesse de libération, une notion qui s'applique aussi bien à une planète qu'à une étoile ou un trou noir.

La vitesse de libération à la surface d'une planète est la vitesse nécessaire que doit avoir un objet (par exemple une fusée) pour s'échapper définitivement de son attraction, et donc de pouvoir naviguer dans l'espace. Cette vitesse est égale à : \sqrt{\frac{2GM}{R}} , où G est la constante gravitationnelle, M la masse de la planète et R son rayon. La vitesse de libération pour une fusée décollant de la Terre est de 11,2 km/s.

Schéma des trajectoires autour d'un trou noir
black-hole.gif
Représentation graphique de différentes trajectoires de la lumière (flèches bleues) au voisinage d'un trou noir.
Crédit : NASA

Avec une vitesse de libération de 300 000 km/s un trou noir est considérablement plus dense que tous les objets astronomiques connus. Dans le cadre de la relativité générale, un trou noir déforme la trajectoire des particules massives et aussi celle de la lumière (Figure). Plus généralement la présence d'un trou noir est associée à une singularité et à une déformation de l'espace temps. Imaginons une sonde spatiale en orbite autour d'un trou noir, qui lancerait une navette vers l'intérieur du trou noir : la navette franchirait rapidement le rayon critique du trou noir, tandis qu'un observateur, resté prudemment sur la sonde, la verrait indéfiniment voyager vers le trou noir sans jamais l'atteindre. C'est la contraction des temps au voisinage du trou noir.


Exercice : taille relative des trous noirs

exerciceEt si un trou noir avait la masse de ...?

Difficulté : ☆☆☆  

Question 1)

La masse de la Terre est de 5,97 1024 kg et son rayon de 6371 km. La constante gravitationnelle G est égale à 6,67 10-11 m3 kg-1 s-2. A partir de la formule définissant la vitesse de libération, calculer ce que serait le rayon d'un trou noir ayant la masse de la Terre. Retrouver ce résultat plus simplement en utilisant la vitesse de libération d'une fusée décollant de la Terre (11,2 km/s).

Question 2)

La vitesse de libération à la surface d'un trou noir dit de Schwarzschild est c=300 000 km/s (3 105 km/s). Exprimer le rayon d'un trou noir en fonction de sa masse, de c et de G.

Question 3)

La masse du Soleil est de 2 1030 kg : quel serait le rayon d'un trou noir de cette masse ?

Question 4)

La masse de l'auteur est de 80 kg : quel serait le rayon d'un trou noir de cette masse ? Comparez-le à la taille de l'atome de l'hydrogène (2,5 10-14 km) ou du rayon classique de l'électron (2,8 10-18 km).


Réponses aux exercices

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Exercice 'Le Soleil est-il dans la Galaxie ?'


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Exercice 'Le Soleil et la Galaxie'


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Exercice 'taille du trou noir au centre de la Galaxie'


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Exercice 'Et si un trou noir avait la masse de ...?'