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L'univers des galaxies

La galaxie spirale barrée avec anneaux externe et interne ((R')SB(r)ab) NGC 1398 de magnitude 10.6 située à 65 millions d'années-lumière dans le Fourneau. Photographie LRGB prise par Steven Mazlin au foyer d'un télescope RCOS de 400 mm f/11.3 équipé d'une caméra CCD Apogee U9. Temps d'intégration total de 39 heures.

La classification des galaxies (II)

Les astronomes se sont très tôt demandés si les grandes galaxies comme M31 étaient plus communes que les galaxies naines par exemple ou si les spirales étaient plus nombreuses que les elliptiques. Sur le plan cosmologique, ils se sont également demandés si les galaxies ont toujours été similaires dans le passé ou si elles grandissent au cours du temps, présentant une masse, une luminosité ou une activité variable selon les époques. Enfin, il est également intéressant de savoir si elles se regroupent et forment des structures à grande échelle.

Pour répondre à des questions aussi techniques, Hubble et ses collègues ainsi que les nouvelles générations d'astronomes ont dressé l'inventaire de toutes les galaxies, d'abord brillantes et proches puis de plus en plus pâles et éloignées en fonction des performances des télescopes. Puis, une fois le catalogue établit, ils ont développé des outils statistiques, des modèles pour reproduire la distribution des galaxies dans l'espace ainsi qu'à différentes époques et mieux comprendre leurs interactions mutuelles qui, comme nous le verrons, peuvent modifier leur morphologie de manière très spectaculaire.

Grâce à la découverte d'Edwin Hubble et les travaux de ses héritiers, nous savons aujourd'hui que l'Univers contient d'innombrables galaxies semblables à la Voie Lactée. Leur morphologie, leur luminosité et leur masse sont très variées. Preuve de l'immense travail accompli en un siècle, dans le cadre du sondage DES et grâce à l'intelligence artificielle, en 2021 les astronomes avaient catalogué la morphologie de 27 millions de galaxies jusqu'à la magnitude 21.5 et z = 0.65 ou 6 milliards d'années-lumière (contre quelque 600000 galaxies à l'époque du premier sondage SDSS démarré en 2000).

Voyons comment nous sommes arrivés à ce résultat en décrivant les différents morphologies de galaxies et leur classification. Nous verrons plus loin leurs interactions et leur évolution. Nous décrirons leurs distributions spatiale et temporelle dans les articles consacrés aux amas de galaxies et à la structure de l'Univers.

La classification de Hubble

Grâce aux multiples photographies qu'il réalisa grâce au télescope Hocker de 2.5 m du Mont Wilson, en 1925 Hubble[15] proposa un système de classification des galaxies. Il le modifia légèrement en 1936 dans son livre "The Realm of the Nebulae" avec l'introduction des types S0 et SB0 pour tenir compte de galaxies au-delà du type E7 n'ayant pas de structure spiralée.

Depuis, cette classification a été améliorée suite aux observations faites dans le rayonnement infrarouge où la forme des galaxies diffère parfois assez bien de leur aspect en lumière blanche, mais les principales classes ou types de galaxies ont été maintenus. On y reviendra.

La séquence proposée par Edwin Hubble dessine une fourche. Sur le tronc commun se trouvent les galaxies elliptiques allant de la forme globulaire (E0) à lenticulaire (E7 ou S0). Ensuite la branche se divisent en deux, l'une consacrée aux galaxies spirales (S) l'autre aux galaxies spirales barrées (SB). Ces deux branches sont subdivisée en trois sections, a, b, c en fonction de l'ouverture des bras (ouverts, intermédiaires, serrés).

Cette classification met en évidence une série évolutive dont la progression semble très logique. Ainsi, la transition S0 et SB0 est fermement établie, de même que l'évolution des galaxies élliptiques E0 en type plus tardif E3 ou E5. Nous verrons que les simulations permettent également d'établir un lien entre les galaxies spirales normales et les barrées, les galaxies précoces de type Sa pouvant se transformer en barrées tardives de type SBc.

Les galaxies irrégulières ont longtemps été classées dans la continuation du type Sc avant d'être séparée définitivement de ce schéma.

A télécharger : The classification of Spiral Nebulae, Edwin Hubble

The Observatory, Vol. 50, 1927, pp276-281 (PDF de 519 KB)

La classification des galaxies

Selon Hubble (lumière blanche, 1925)

Version Spitzer (IR, 2007)

Documents John Kormendy et Spitzer SINGS Group.

La classification de Hubble est la suivante :

- Les galaxies elliptiques, qui présentent une symétrie de rotation complète. Elles sont souvent extrêmement denses que les plus grands télescopes sont parvenus à séparer en étoiles distinctes. Elles sont classées E0 à E7 selon l'aplatissement du disque. Notons que pour le type E7, l'orientation des axes principaux par rapport à l'axe de visée est toujours inconnu.

Nous pouvons citer M32 et NGC 205 les deux satellites de M31, M60, M85, M86, M87, M88, M89 appartenant à l'amas de la Vierge et dont une centaine de membres sont aisément accessibles à l’amateur sans oublier IC 1101, la plus grande galaxie de l'univers, sur laquelle nous reviendrons.

La plupart des galaxies elliptiques se trouvent au centre des grands amas de galaxies qu'elles illuminent de leurs feux.

- Les galaxies spirales, classées S, à noyau important et à bras réguliers et peu développés, ou à noyau moins développé et à bras importants, classées Sa, Sb et Sc. Citons M31, M33, M51, M63, M81, M101, M104 parmi celles présentant la plus belle morphologie.

A voir : Hubble Gallery - Heck Yeah Galaxies - Seligman Celestial Atlas

Cinq exemples de galaxies remarquables. Ci-dessus à gauche, la galaxie M81 de la Grande Ourse découverte par Johann Bode en 1774. Cette galaxie de type SA(s)ab brille à la magnitude 6.9 et se situe à 11.8 millions d'années-lumière. Elle est inclinée de 59° par rapport au plan du ciel (en réalité, elle est donc pratiquement circulaire). Document Jay GaBany et IAC. A droite, la très belle galaxie NGC 2683 située dans le Lynx, à environ 25 millions d'années-lumière. De magnitude 9.7, elle mesure 9.3' de longueur. Il pourrait s'agir d'une galaxie spirale légèrement barrée (SA(rs)b. Ci-dessous à gauche, M101 (NGC 5457), une galaxie spirale Sc située dans la Grande Ourse et membre du Groupe Local. De magnitude 8.2, elle présente un diamètre apparent voisin de celui de la pleine Lune (28.5') et se situe à environ 25 millions d'années-lumière. Elle abrite 1 trillion d'étoiles dont 100 millions de type solaire. Au centre, NGC 5866 (M102) située à 44 millions d'années-lumière dans le Dragon photographiée par Adam Block avec un télescope de 0.8 m de diamètre. Cette petite galaxie mesure 0.5' ou 60000 années-lumière de diamètre pour une magnitude apparente de +16.5. On voit admirablement bien la bande de poussière équatoriale. Bien que classée parmi les lenticulaires (S0), les extrémités bleues suggèrent qu'il s'agirait d'une galaxie spirale. Voici une photo plus agrandie prise par le HST. A droite, la galaxie elliptique géante ESO 325-G004 de l'amas Abell S0740 située à 450 millions d'années-lumière dans le Centaure. Documents NASA/ESA/STScI.

- Les galaxies spirales barrées, classées SB, dont les bras partent de l'extrémité d'une barre qui traverse le noyau et classées SBa, SBb, SBc selon l'ouverture des bras. C'est aussi la population la plus nombreuse. La Voie Lactée, M58, M77, M83, M95, M96, NGC 1300 et NGC 1360 appartiennent à cette classe, auxquelles il faut ajouter le Grand Nuage de Magellan, classé SB(s)m.

- Les galaxies lenticulaires, classées S0, qui n'étaient pas reconnues dans le document de 1925 de Hubble sont une forme intermédiaire entre les galaxies elliptiques E7 et les spirales S et SB. L'hypothèse proposée par Hubble sera confirmée empiriquement par voie photographique en 1950. Ces galaxies sont symétriques et ne présentent pas de structure spirale ni  de barre centrale. Elles présentent un gros noyau central et un disque aplati. Elles ne contiennent pas de gaz ni de poussières. Citons M84, NGC 2685, NGC 3115 et NGC 4477.

- Les galaxies irrégulières, classées I, telles M82, le Petit Nuage de Magellan, NGC 2976 qui n'ont pas de forme définie, dans lesquelles se développe une Population I d'étoiles bleues supergéantes. Elles ne représentent que quelques pourcents de toutes les galaxies.

Ces catégories sont complétées par l'adjectif "pec" de peculiar lorsque leur morphologie en lumière visible est anormale (superlumineuse, anneau interne ou externe, en interaction avec un compagnon, etc) ou "d" s'il s'agit d'une galaxie naine (dwarf).

Quelques représentantes emblématiques des différents morphologies de galaxies. De gauche à droite et de haut en bas, NGC 1316 ou Fornax A (E ou SAB(s)), M83 (SAB(s)c), M64 (SA(rs)ab ou "l'oeil noir", une galaxie de Seyfert de type 2), NGC 634 (Sa) et ci-dessous NGC 4725 (SAB(r)ab pec), NGC 1300 (SB(rs)bc), M82 (Irr) et UGC 11411, une galaxie Naine Bleue Compacte (BCD). Documents ESO, Rob Gendler, NOAO, Hubble/Subaru/B.Gendler, Subaru et NASA/ESA/STScI.

La classification révisée de Vaucouleurs

Devant l'éventail des morphologies des galaxies, en 1959 Gérard de Vaucouleurs[16] révisa la classification des galaxies de Hubble pour tenir compte de caractéristiques plus subtiles mais très importantes pour comprendre leur dynamique.

De Vaucouleurs introduisit plusieurs types intermédiaires :

- le type Sd et le type magellanique (m) pour assurer la transition entre les galaxies spirales et irrégulières, par exemple Sd, SBd, Sm, Im

- les galaxies supergéantes (cD) dont le corps elliptique s'entoure d'une enveloppe d'étoiles très étendue

- les spirales à distorsion ovale ou faiblement barrées (SAB)

- les galaxies présentant un anneau (ring) autour du noyau d'où partent les bras (S(r)) ou sans anneau (s)

- les galaxies dont les bras partent directement du noyau (S(c))

- les galaxies qui présentent un anneau externe, souvent une extension des bras spiraux qui se rejoignent (RS)

- les galaxies intermédiaires entre les lenticulaires S0 et les spirales SA (A).

La classification des galaxies

selon G. de Vaucouleurs (1959)

La classification volumétrique (3D) proposée par Gérard de Vaucouleurs en 1959 introduit tous les cas intermédiaires entre les galaxies spirales non barrées (SA) et les spirales fortement barrées (SB) tout en maintenant l'évolution entre la classe E et les classes S et I. Des traits secondaires apparaissent tels qu'un anneau intérieur (r) ou extérieur (R) et si les bras spiraux partent directement du noyau. Document G.de Vaucouleurs adapté par l'auteur et F.Combes et R.Buta.

La classification de Vaucouleurs s’étend dans les trois dimensions et forme un volume lenticulaire :

- sur l'axe longitudinal se trouve la classification étendue de Hubble : E0-E7, S0-, S0°, S0+, Sa, Sb, Sc, Sd, Sm, Im

- sur l'axe transversal sont reprises les caractéristiques de l'anneau (ou son absence) autour du noyau : AB(s), AB(rs), AB(r)

- sur l'axe vertical ont été reprises les distinctions entre les galaxies normales et les barrées : A, AB, B.

Ainsi, pour chaque classe spirale de l'axe "x" et pour ses types intermédiaires, on peut découper une tranche dans la classification révisée de Vaucouleurs qui se décompose en 8 secteurs auquel s'ajoute un modèle mixte au centre, SAB(rs).

C'est ainsi que la galaxie spirale NGC 1350 présentée ci-dessous à droite était jusqu'à présent classée parmi les spirales barrées SBa-b. Aujourd'hui sa classification a été révisée et elle appartient dorénavant à la classe SB(r)ab et Seyfert, c'est-à-dire une galaxie spirale faiblement barrée présentant un anneau intérieur d'où partent les bras, et Seyfert car il s'agit d'une galaxie à noyau actif (AGN). On reviendra sur l'anneau intérieur lorsque nous discuterons de la cinématique des galaxies.

A gauche, la galaxie NGC 2775 (SA(r)ab) située dans la constellation du Cancer à 67 millions d'années-lumière. Il s'agit d'une galaxie spirale floconneuse. Elle est inclinée de 44° par rapport à la Terre et brille à la magnitude 10.4. Au centre, la galaxie spirale NGC 4414 (SA(rs)c). Il s'agit également d'une galaxie floconneuse. Elle se situe dans la constellation de Coma Berenices à environ 60 millions d'années-lumière et brille à la magnitude 11. Son diamètre est de 56000 a.l. A droite, la spirale à structure annulaire NGC 1350 (Sa(r)) située dans le Fourneau à 87 millions d'années-lumière qui brille à la magnitude 11.5. Son diamètre est de 130000 a.l. Documents NASA/ESA/HST Team, NASA/ESA/STScI et ESO.

En proportion, selon les sondages du SDSS, environ 77% des galaxies ont une forme spirale et 20% sont elliptiques et/ou lenticulaires. Parmi les galaxies spirales, les 2/3 sont barrées dont une moitié faiblement, l'autre fortement barrée. Parmi les spirales, 60% présentent des bras multiples, 30% sont floconneuses et 10% sont dites de "grand style" (grand design), présentant des bras spiraux importants et bien définis (par ex. M81).

L'exemple résumant le mieux la classification est le lointain amas compact du Quintette de Stephan. Il rassemble : NGC 7318a (E2), NGC 7317 (E4), NGC 7320 (Sa), NGC 7319 (Sb) et NGC 7318 (SBb), sans oublier les grands amas de galaxies où la diversité est presque infinie.

Les galaxies X

Beaucoup de galaxies dont la Voie Lactée présentent un bulbe en forme de X ou de cacahuète qui fut décrit pour la première fois par les Burbidge en 1959 (ApJ, 130, 20) et cataloguées en tant que "galaxie X" par de Gérard de Vaucouleurs en 1972 (Mem. R.A.S., 77, 1). Une importante liste de galaxies X fut compilée par B.J. Jarvis en 1986 et M.A. Shaw en 1987.

NGC 4710

NGC 3628

HCG87

NGC 7020

IC 4767

NGC 128

ESO 322-100

NGC 1055

IC 4745

IC 4757

NGC 1589

Voie Lactée

Cettte forme particulière a été observée dans plus de 40% des galaxies vues de profil des classes S0 à Sd dont quelques exemplaires sont présentées ci-dessous. Cette forme en X est directement liée à la présence d'une barre triaxiale. On y reviendra en détail à propos de la Voie Lactée.

Prochain chapitre

Classifications complémentaires

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[15] Transactions of the I.A.U., 2, 1925, Commission 28; Astrophysical Journal, 64, 321, 1926 - Pour être exact, en dressant sa classification Hubble n’avait pas eu l’intention de mettre en évidence une série évolutive. Ce n’est que bien des années plus tard, après avoir catalogué des dizaines de milliers de galaxies que l’on remarqua que la progression qu’il avait imaginée pouvait correspondre à l’évolution de certaines galaxies. Lire E.Hubble, "The Realm of the Nebulae", Yale University Press, 1936/1985 - A.Sandage, “Hubble Atlas of Galaxies”, Carnegie Institute of Washington, 1961/1984.

[16] G.de Vaucouleurs, Handbook of Physics, 53, 1959, p275. Voir également Galactic Rings, Combes et Buta, 1996.


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