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La Voie Lactée

Le Nuage Local (IV)

Le Soleil entraîne le système solaire dans les bras de la Voie Lactée et traverse actuellement un nuage interstellaire local d'environ 40x30 années-lumière à la vitesse de 16.5 km/s soit 59400 km/h. Ce déplacement dans l'espace crée un vent interstellaire de particules.

En 2013, un groupe d'astronomes dirigé par Priscilla Frisch découvrit que la direction de ce vent interstellaire avait légèrement dévié de 4 à 9° depuis le dernier sondage effectué entre 1972-1978 pour une raison inconnue. On suppose que le Soleil approche des limites du Nuage Local et d'une zone de turbulence. Ce Nuage Local est né de l'onde de choc formée par la collision de deux bulles de gaz : la Bulle locale et la Bulle de la Ceinture de Gould (Boucle I, voir plus bas).

Comme le montre l'illustration ci-dessous à gauche, vu ses dimensions, le Nuage Local comprend des étoiles proches comme Alpha Centauri (4.3 a.l.), Sirius (8.6 a.l.), Véga (25 a.l.), Fomalhaut (25.1 a.l.) et Arcturus (36.6 a.l.). Il est en interaction avec le nuage voisin appelé le Nuage G qui se déplace perpendiculairement à la trajectoire du Soleil.

A voir : Galaxy Map - Carte de la Voie Lactée du National Geographic (12.5 MB)

Cartes détaillées de la Voie Lactée

A gauche, illustration du nuage interstellaire Local que traverse le système solaire. Au centre, la région Locale dans un rayon de 5 kpc (16300 a.l.) autour du Soleil. Voici la carte sans annotation. Noter que les nébuleuses (régions HII et nuages moléculaires) sont plus nombreuses devant le Soleil dans sa course autour de la Voie Lactée que derrière lui. A droite, l'aspect général de la Voie Lactée. Documents NASA/Goddard/Adler/U.Chicago/Wesleyan, Bruce MacEvoy et T.Lombry inspiré de Pour la Science.

Le Soleil serait entré dans le Nuage Local il y a entre 44000 et 150000 ans et devrait en sortir dans 10000 ou 20000 ans. Il se dirige actuellement vers l'extérieur de l'Association Scorpion-Centaure (qui est une nurserie d'étoiles).

Ce milieu interstellaire présente une très faible densité de 0.26 atomes/cm3 soit plus de 5 fois inférieure à la densité moyenne du milieu galactique (et 20x1020 plus faible l'atmosphère terrestre au niveau de la mer) pour une température de brillance de 6000 K, relativement chaude.

La Ceinture de Gould, boucles et éperons galactiques

En 1847, alors qu'il observait le ciel depuis le Cap de Bon Espérance en Afrique du Sud, l'astronome britannique John Herschel, le fils du célèbre William Herschel, découvrit "une large bande d'étoiles qui était balisée par la constellation d'Orion, les étoiles brillantes du Grand Chien et pratiquement toutes les étoiles visibles d'Argo [comprenant aujourd'hui la Poupe, les Voiles et le Carène] -- la Croix -- le Centaure, le Loup et le Scorpion" et nota qu'elle était inclinée d'environ 20° par rapport au plan de la Galaxie.

En 1879, alors qu'il rédigeait son catalogue "Uranometria Argentina" (le catalogue de Flamsteed pour l'hémisphère sud) l'astronome américain Benjamin A. Gould découvrit que cette ceinture s'étendait dans l'hémisphère Nord, formant une boucle coupant le plan galactique.

En 1910, Jacob Halm calcula le mouvement propre des principales étoiles de cette boucle tandis qu'en 1922 Edwin Hubble y ajouta des régions HII et des nuages moléculaires.

Depuis, six boucles ont été découvertes le long de l'écliptique dont les schémas sont présentés ci-dessous. La grande boucle découverte par Herschel et Gould fut baptisée la "Ceinture de Gould" et représente la Boucle I (Loop I). Les premiers cirrus galactiques se situent à quelques centaines d'années-lumière au-dessus du plan de la Galaxie. Rappelons comme nous l'avons entrevu lors de la description des nébuleuses et du milieu interstellaire que le segment nord de la Boucle I est appelé "l'Eperon galactique" ou "Eperon Polaire" (Polar Spur) et correspond à une émission synchrotron galactique. Cette extension apparaît le plus clairement à 408 MHz ainsi que sur les cartes de la polarisation du rayonnement cosmologique vue précédemment.

A gauche, répartition et composition des grandes boucles de matière interstellaire et d'association d'étoiles découvertes dans la Voie Lactée depuis les premières observations de John Herschel en 1879. La Ceinture de Gould est la Boucle I située au centre du schéma, à cheval sur le plan Galactique. Ces régions contiennent d'innombrables étoiles très brillantes et massives, des associations OB, des amas stellaires, des régions HII et des nuages moléculaires. A droite, la position de la Ceinture de Gould par rapport au Soleil. Documents Bruce MacEvoy adapté par l'auteur et Isabelle Grenier/CEA Saclay adapté par l'auteur.

La Ceinture de Gould (Gould Belt) forme un anneau elliptique pratiquement fermé d'environ 3000 années-lumière de diamètre et légèrement décentré par rapport au Soleil. Elle est plus brillante dans l'hémisphère Sud que dans l'hémisphère Nord et rassemble des étoiles brillantes, des associations OB, des amas stellaires épars, des régions de formations stellaires ainsi que des nuages moléculaires froids dont la masse globale est estimée à dix millions de masses solaires.

On estime que cette structure est âgée entre 30 et 60 millions d'années mais on ignore son origine. Elle ne semble pas avoir été formée par un processus de chocs comme ce serait le cas avec des supernovae comme on le pensait encore dans les années 1980 (cf. D.Iwan, C.Salter). En effet, selon des études réalisées par Ken Croswell en 2005 et Stuart Clark en 2009, on ne retrouve pas de structures similaires autour des supernovae où on observe une compression du gaz interstellaire et des nuages moléculaires dans toutes les directions autour du point d'explosion. De plus, rien n'explique l'inclinaison de 16 à 20° de la structure ni son extension et sa séparation du plan Galactique. Etant donné que cet Eperon est non thermique et fortement polarisé, en 2003 Alla Miroshnichenko a proposé qu'il s'agissait de l'émission d'un jet par la Voie Lactée similaire à celui qu'on retrouve dans les quasars mais on manque de preuve pour appuyer cette théorie.

Carte de la "superbulle du Cygne" observée dans le rayonnement X à 1.5 keV près des Boucles II et III. Les nébuleuses des "Dentelles du Cygne" sont indiquées par la zone sphérique "Cygnus Loop". Document B.Uynikler et al.

Seul fait pertinent, la "superbulle du Cygne" présentée à droite et située près des Boucles II et III à environ 2 kpc (6500 années-lumière) en direction de la latitude galactique l = 82° mesure environ 600 x 450 pc (~2000 x 1500 a.l.) présente une forme approximative en fer à cheval. Comprenant quantité d'associations stellaires OB, de nuages de gaz et moléculaires, cette structure est inclinée d'environ 30° sur le plan Galactique.

On en déduit que la Ceinture de Gould n'a pas une origine exceptionnelle et que son inclinaison est peut-être la conséquence d'une propriété de la Voie Lactée qui force la matière à s'étendre de la sorte.

Autre observation, les nuages moléculaires et les régions de formations stellaires du Bras Local sont situées "devant nous" dans la rotation galactique (vers la gauche en regardant le bulbe), tandis que les régions plus anciennes où les étoiles sont déjà formées ainsi que les résidus de supernovae se situent "derrière nous", entre les associations Scorpion-Centaure et d'Orion.

De nombreuses théories ont été proposées pour expliquer l'origine de cette Ceinture et des autres boucles. Une théorie intéressante fait appel à l'explosion des novae et au phénomène de "cheminée".

Distribution de la poussière autour des pôles Galactiques Nord (PNG) et Sud (PSG). Les zones sombres sont les plus claires pour l'observation et correspondent aux "trous de Lockman".

Si la Ceinture de Gould résulte de l'explosions de novae, on sait que leurs ondes de chocs se propagent préférentiellement perpendiculairement au disque Galactique, vers les régions les moins denses du disque mince. Or la région du Soleil se situe justement dans une "Cheminée Locale" orientée approximativement perpendiculairement au plan Galactique et traversant entièrement le disque. Les extrémités ouvertes de cette cheminée montrent que les nuages de gaz ont été soufflés par l'explosion des supernovae et retombent à présent dans le disque mince.

Le plus surprenant est que cette Cheminée Locale a créé deux "fenêtres" dans les régions des pôles Galactiques comme on le voit à gauche (en noir). Dans ces zones, l'extinction par la poussière est minimale, y compris dans le rayonnement X de l'hydrogène neutre. Le ciel est tellement clair que les astronomes utilisent ces "fenêtres" pour étudier les objets les plus éloignés du ciel comme les amas de galaxies (cf. le programme HUDF de Hubble), réaliser des mesures de parallaxe spectroscopique (très sensible à l'extinction interstellaire) ou encore pour mesurer le rayonnement cosmologique et mieux comprendre l'évolution de l'Univers.

La fenêtre située près du pôle Nord Galactique se situe dans la Grande Ourse et a été baptisée le "Trou de Lockman" en hommage à l'astronome Félix Lockman.

La Grande Bande Sombre (GDL)

Au cours du sondage VVV de la Voie Lactée en proche infrarouge (900-2500 nm) effectuée entre 2010 et 2014 au moyen du télescope VISTA de 4.10 m de l'ESO, une équipe internationale d'astronomes dirigée par Dante Minniti du département de Physique de l'Université Andrés Bello du Chili découvrit une vaste bande de poussière sombre s'étirant entre le Soleil et le bulbe central qu'ils ont appelée la "Great Dark Lane".

La Grande Bande Sombre fut découverte après l'analyse du diagramme couleur-magnitude (CMD) de 157 millions d'étoiles présentes dans le bulbe de la Voie Lactée qui mit en évidence une différence de couleur (Z-Ks) de 0.55 magnitudes dont la seule explication est liée à la présence d'une bande de poussière optiquement épaisse comprise entre les latitudes galactiques de +10° et -10°.

Cette bande de poussière se situe globalement à environ 15000 années-lumière du Soleil et réside à l'extérieur du bulbe. Si cette bande de poussière traversait le bulbe, la distribution des étoiles aurait été plus fragmentée avec des amas d'étoiles rouges devant et derrière les nuages de poussières, alors que la bande de poussière observée présente des limites bien marquées, les amas d'étoiles rouges étant localisés dans le bulbe, derrière la bande de poussière.

Photographies de la région centrale de la Voie Lactée entre le Sagittaire et le Scopion en lumière blanche (gauche) et inrfarouge proche (droite) révélant les nuages de poussières bloquant la vue du noyau. Documents ESO/S.Brunier et ESO/VVV survey traité par l'auteur.

Cette découverte permet d'affiner la nature et la structure de la Voie Lactée, elle apporte un indice sur les contraintes des modèles du bulbe barré de la Voie Lactée et permet de comparer notre Galaxie avec les autres spirales barrées dans lesquelles ce phénomène est très important pour citer M83, NGC 1300, NGC 4921 ou encore NGC 1672 parmi beaucoup d'autres galaxies de ce type.

La bulle de Fermi où quand la Voie Lactée était un quasar

En 2010, le satellite Fermi de la NASA détecta une immense bulle de rayonnement gamma et X s'étendant de part et d'autre du plan de la Voie Lactée sur une distance totale de 39000 années-lumière (12 kpc). Sa limite extérieure étant très marquée, indiquant que cette bulle fut émise très rapidement. La partie intérieure de cette bulle émet principalement des rayons gamma tandis que l'enveloppe extérieure émet des rayons X.

Quand la Voie Lactée était un quasar il y a 6 millions d'années. Document Mark Garlick.

Cette bulle de Fermi est beaucoup plus jeune que la Boucle I de la Ceinture de Gould et n'est donc pas associée au même phénomène mais rien ne prouve que la source qui a émis cette bulle et l'Eperon Polaire n'est pas identique.

Selon une étude déjà citée publié en 2016 par Fabrizio Nicastro du Centre d'Astrophysique Harvard-Smithsonian et son équipe, cette bulle de Fermi détectée au sein du halo n'a pu se former que par la libération d'une quantité colossale d'énergie animée d'une vitesse de l'ordre de 1000 km/s qui forma une onde de choc. Seul un trou noir supermassif actif (on pense à Sgr A*) est capable de produire un phénomène d'une telle ampleur et notamment un jet bipolaire s'étendant sur près de 20000 années-lumière (6 kpc) de part et d'autre du bulbe.

Selon Martin Elvis, co-auteur de cette étude, les simulations montrent que le trou noir supermassif de la Voie Lactée aurait été actif il y a seulement 6 millions d'années. Comme par hasard, on a découvert à proximité immédiate du centre Galactique de jeunes amas stellaires également âgés de 6 millions d'années. On en déduit que la matière qui fut attirée par ce trou noir a également permis de former ces étoiles. Le trou noir supermassif serait resté actif durant environ 2 millions d'années, un délai tout à fait raisonnable pour une galaxie à noyau actif.

En d'autres termes, si vous avez bien lu entre les lignes, cela signifie que la Voie Lactée était un quasar à l'époque où nos ancêtres (Orrorin et A.ramidus) foulaient le sol d'Afrique !

Le noyau de la Voie Lactée

Le Soleil étant plongé dans le disque Galactique, il nous est très difficile d'observer le noyau, du moins en lumière visible car l'extinction de la lumière atteint 30 magnitudes dans la région du Sagittaire-Scorpion. En effet, le milieu interstellaire est opaque dans les rayonnements visible, UV et X.

Aussi les astronomes ont-ils tenté de sonder le coeur de la Galaxie et les régions situées derrière le bulbe en utilisant des longueurs d'ondes dans lesquelles la matière interstellaire était transparente. Ce fut le début des premières découvertes en infrarouge proche, en ondes radios millimétriques, submillimétriques, X durs et gamma.

En 1990, l'expérience DIRBE embarquée à bord du satellite COBE permit de produire la première image en fausse couleur du centre de la Galaxie (2e image à droite à partir du haut). Elle représentait l'émission proche-infrarouge des étoiles et des poussières présentes tout autour du noyau. Le disque Galactique, riche en poussières est clairement visible. Le noyau, par contraste, contient peu de poussières.

A gauche, profil radioélectrique de la Voie Lactée entre les ondes UHF (408 MHz) et micro-ondes (~GHz). Ce rayonnement est principalement généré par l'émission de l'hydrogène mais également par l'effet indirect de la matière noire ou de l'énergie sombre sur la matière baryonique. A droite, carte multispectrale de la Voie Lactée entre la lumière visible et les rayons gamma. Documents UCLA et NVO/NASA.

Le disque Galactique n'est pas uniformément plat. Les radiotélescopes millimétriques ont permis de découvrir qu'au centre du noyau se trouvait un disque de 8000 années-lumière (2.5 kpc) de diamètre, incliné d'environ 18° sur le plan Galactique, confirmant le motif légèrement incliné des bras, gauchissement surtout visible à 21 cm comme expliqué précédemment.

Le disque central tourne sur lui-même trois fois plus vite que la matière qui l'entoure (130 km/s). Outre des débris de supernovae, il contient des gaz chauds sous pression, de la poussière et des nuages moléculaires. La région comprise dans les 300 pc autour du noyau représente une masse d'environ 108 M, soit environ 5 % de la masse moléculaire totale de la Galaxie, concentrée dans 0.04 % de sa surface !

La densité surfacique des gaz moléculaires du noyau est extraordinaire. On y trouve des nuages moléculaires CO et CS confinés qui requièrent de fortes densités pour être excités comme ils le sont. La vitesse des nuages déduite du décalage Doppler de leurs raies spectrales est de l'ordre de 15 km/s, plus de 15 fois supérieure à la vitesse du son ! On pense que ces déplacements sont induits par des champs magnétiques très intenses de l'ordre de 130 mG. Par comparaison, il n'est que de 5 mG dans le gaz diffus Local. On a également calculé que la pression du gaz moléculaire est trois fois plus élevée dans le noyau que dans le disque.

Ces champs et cette pression très intenses s'expliqueraient par la température qui est voisine de 10 millions de Kelvin, supérieure à celle qui règne dans le noyau du Soleil et par la densité du milieu (~0.03 à 0.06 protons/cm3) qui correspond à une pression près de 1000 fois supérieure à celle mesurée dans le voisinage du Soleil ! Dans de telles conditions, le gaz émet des rayons X qui pourraient se transformer en "vent galactique" s'il n'est pas confiné dans le champ magnétique.

Malgré cette grande concentration de matière, peu d'étoiles s'y forme, probablement en raison de l'intense dispersion qui se produit au sein des nuages moléculaires. La masse de Jeans de ces nuages atteint 106 M, ce qui signifie qu'une liaison gravitationnelle ne peut se produire qu'au sein de nuages extrêmement massifs, tels Sgr A et Sgr B2.

Des mesures permettent également d'estimer que les nuages de gaz présents dans le noyau de la Voie Lactée se seront diffusés avant leur effondrement. Cette diffusion peut s'étendre sur cent millions d’années[9].

A lire : Hubble observe le coeur de la Voie Lactée en détail (sur le blog, 2009)

A gauche, le centre de la Galaxie observé à 90 cm de longueur d'onde. L'image couvre un champ de 2.5° x 1° ou 1200 x 480 années-lumière. A droite, reptrésentation schématique des différentes composantes dansles 10 pc centraux autour du centre Galactique. La zone bleutée représente la région diffuse la plus ionisée comprenant la cavité centrale (CC), le résidu de supernova Sgr A East (SNR) et le halo radio. La zone rouge représente les régions moléculaires les plus denses, comprenant l'anneau circumnucléaire (CNR), le nuage M Sud (SC) ou nuage "20 km/s", le nuage M Est (EC) ou nuage "50 km/s", la crête moléculaire (MR), le courant sud (SS), le courant ouest (WS) et la crête Nord (NR). La position de Sgr A* est indiquée par le signe + au centrale du disque incliné au coeur duquel se trouve le trou noir supermassif..Documents National Research Lab Navy et K.Ferrière.

La région couvrant les 30 pc centraux (100 a.l.) fait preuve d'une activité très exotique. Dans un espace réduit à 0.3° d’arc se trouve cinq sources de rayonnement intense dont l'une est baptisé "Sagittarius A". Elle se divise en deux composantes, Sgr A East et Sgr A West. La première s'étend sur 3' (8 pc) et présente un spectre non thermique vraisemblablement entretenu par le rayonnement des supernovae. Sgr A West est plus petite (2 pc). Au centre de cette structure s'agglomère quelque 5 millions d'étoiles sur 3 années-lumière ! Sa cartographie en infrarouge proche et moyen (2.2 et 10 microns) a permis d'y déceler une vingtaine de sources d'émissions dont certaines éjectent des filaments longs d'une trentaine de parsecs. Cet environnement est vraiment très suspect et suscita l’intérêt de nombreux chercheurs.

Pendant plus de 20 ans, les astronomes ont étudié la région de Sgr A* et découvert à leur plus grande surprise des étoiles se déplaçant à 4500 km/s dont certaines sont précédées par un front de choc, des éruptions X et des bouffées de rayons gamma provenant d'étoiles et de nuages de gaz incandescents dont certains étaient de toute évidence attirés par un objet compact et très massif.

Ce n'est qu'en 2012 que les astronomes eurent la preuve que tous ces phénomènes inhabituels et violents étaient provoqués par un trou noir supermassif d'environ 3.5 millions de masses solaires caché au coeur de la Voie Lactée. Pour ne pas surcharger cette description de la Voie Lactée et le sujet méritant d'être exploré en détails, nous lui avons consacré un article : Le trou noir supermassif de la Voie Lactée.

Venons-en à présent au dernier chapitre de cette revue de la Voie Lactée, celui concernant sa formation et l'origine de ses différentes composantes.

Dernier chapitre

Formation de la Voie Lactée

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[9] M.Morris, IAU Symposium no 136, "The Center of the Galaxy", eds M.Morris, Kluwer, 1989.


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