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°

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

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

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.

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

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.

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

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

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.

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 : , 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

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.