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La Voie Lactée

Formation de la Voie Lactée (V)

Nous avons expliqué précédemment comment la théorie des ondes de densité, de la corotation, l'effet des champs magnétiques et la matière sombre (ou noire) participent à différents degrés à la formation et l'évolution de la Voie Lacté, des bras spiralés et des barres. Toutefois, ces différents mécanismes n'expliquent pas totalement comment la Voie Lactée s'est formée et est devenue une galaxie spirale ni l'origine de ses différentes composantes.

Mécanismes séculaires et fusions

On estime que la Voie Lactée s'est probablement formée environ 1 milliard d'années après le Big Bang, à partir d'un nuage de gaz dense protogalactique essentiellement constitué d'hydrogène. Les processus d'accrétion, de refroidissement et d'effondrement de ce gaz sous forme d'étoiles et d'une structure spiralée enveloppée dans un halo se sont ensuite déroulés très lentement, sur une période qui dépasse 10 milliards d'années comme l'explique très bien l'article de Cristina Chiappini repris ci-dessous.

A lire : The Formation and Evolution of the Milky Way (PDF), C.Chiappini, Obs.Trieste, 2001

également disponible sur le site de G.Djorgovski

Gaia-ESO Survey, 2013

A propos de l'évolution stellaire de la Voie Lactée et sa métallicité

Simulations réalisées par C.Purcell et son équipe en 2011 de la fusion d'une galaxie naine similaire à celle du Sagittaire en version "légère" et "massive" sur une période d'environ 1.8 milliards d'années. En fonction de sa masse, on observe un évasement et un "wrapping" (gauchissement) des bords de la Voie Lactée ainsi que la formation d'un arc près du pôle galactique. A droite, le résultat aujourd'hui de la fusion avec une galaxie naine "légère", environ 2.65 milliards d'années avec la phase initiale. Documents C.Purcell et al./Nature adaptés par l'auteur.

Selon des simulations effectuées par Frédéric Bournaud et Françoise Combes notamment, suite aux instabilités gravitationnelles et sous l'effet de la friction dynamique, le gaz se serait d'abord fragmenté en quelques centaines de millions d'années, donnant à la Galaxie un aspect grumeleux, tandis que le bulbe se serait formé en un milliard d'années.

Concernant les bras spiralés, selon les modèles, à partir d'un disque homogène en rotation composé de gaz et d'étoiles, on estime que les premières ébauches visibles des bras sont apparues à une distance d'environ 9 kpc (30000 années-lumière) du centre de la Voie Lactée 0.9 milliard d'années après sa formation à partir de la protogalaxie. Au total, il faudra environ 1.8 milliards d'années pour que les bras spiralés soient totalement formés.

Mais à l'image de toutes les galaxies de ce type, étant donné que son disque a continué d'accumuler le gaz transféré du halo jusqu'à aujourd'hui, les parties extérieures de son disque continuent de s'étendre, ce qui explique que sa longueur exacte est imprécise. Si la Voie Lactée était donc déjà assez semblable à aujourd'hui il y a plus de 8 milliards d'années, depuis la dimension horizontale de son disque a doublé.

Jusqu'à présent, on pensait que la structure de la Voie Lactée n'avait jamais été perturbée par d'importantes forces extérieures et devait sa forme à sa seule dynamique interne. Mais dans une étude publiée en 2011, Chris W. Purcell et son équipe ont simulé la chute de la galaxie naine du Sagittaire sur la Voie Lactée. Leur simulation a montré que son impact a pu former les bras spiralés, influencer la barre primaire et produire un disque extérieur évasé. Deux anneaux gauchis émergent vers le centre antigalactique qui rappellent les arcs qu'on observe dans la même latitude galactique de la Voie Lactée. Depuis de nombreuses simulations ont validé cette hypothèse.

Les résultats de ces études montrent que la morphologie de la Voie Lactée n'a pas une origine purement séculaire (monolithique) et qu'elle connut une longue période de fusions mineures (la Voie Lactée absorbant des galaxies naines) il y a plus de 5 milliards d'années. La fusion de galaxies de faibles masses serait commune dans l'Univers et jouerait un rôle tout aussi important que la dynamique interne. Nous y reviendrons en détail dans l'article consacré aux interactions entre galaxies.

Origine et formation du disque, du bulbe et du halo

Si on comprend globalement comment s'est formée la Voie Lactée ou toute autre galaxie, quelle est la nature et comment évolue chacune de ses composantes, leur origine fait encore l'objet de nombreuses hypothèses.

Les simulations sont une aide précieuse car elles permettent de comprendre globalement comment se forme une galaxie à partir d'une nappe informe de gaz léger avec ou sans étoiles et en tenant compte ou non de mécanismes d'accrétions et autres résonances. Grâce à ces simulations, on peut rapidement classer les théories en différentes hypothèses plus ou moins réalistes et probables et identifier de suite les modèles irréalistes qui ne sont pas conformes aux observations.

Dans un article publié en 1995 dans "Astronomy & Astrophysics", l'astronome canadien Sidney van den Bergh nous rappelle que de nombreuses théories ont été proposées pour expliquer l'origine du disque, du bulbe et du halo de la Voie Lactée. Passons en revue ces différentse hypothèses à la lumière des récentes découvertes.

1. Origine du disque

L'origine du disque épais (et indirectement du disque mince) a fait l'objet de nombreuses études, parmi lesquelles on peut relever quatre solutions :

- par accrétion, effet de marée et fusion mineure de galaxies naines. Cette théorie implique que nous devrions retrouver des traces de ces évènements dans le disque et dans le halo stellaire, ce qui est effectivement le cas (par ex. Sag DEG). Mais suite à ces fusions, on devrait également observer des déplacement stellaires en tout sens dans le disque et des trajectoires excentriques, ce qui n'est pas le cas et écarte sérieusement cette hypothèse.

- par chauffage (friction dynamique) du gaz du disque mince lors des fusions avec des galaxies assez massives. Cette théorie exige des mergeurs ayant une masse d'au moins 20 % de celle de la Voie Lactée. Ce mécanisme impose leur fusion avec le disque mais également avec le bulbe, le rendant plus massif, ce qui n'est pas le cas.

- par migration radiale des étoiles sous l'effet de la résonance de corotation, le disque épais se formant à partir du disque mince et tournant dans le même sens que ce dernier. Nous avons expliqué que cette théorie est conforme aux observations concernant la migration des étoiles vers l'extérieur et le gradient d'abondance en métaux mais elle suppose aussi l'existence d'un mécanisme qui réalimente le disque mince, par exemple par de nouvelles fusions mineures.

- par formation in situ lorsque la Galaxie s'est formée à partir d'un nuage de gaz protogalactique. Cette théorie impose soit un disque de gaz primordial très épais soit une Galaxie très riche en gaz lors de sa formation et un milieu interstellaire très turbulent et donc instable. Par friction dynamique, les fragments condensés de gaz auraient également pu migrer vers le centre et former le bulbe.

En résumé, les trois dernières hypothèses sont plus probables à différents degrés que la première et ont probablement joué un rôle ou continuent à modeler la forme de la Voie Lactée et influencer son évolution.

2. Origine du bulbe

L'origine du bulbe doit également être précisée. Il obéit à un mécanisme de formation non classique puisqu'il s'agit d'un pseudo-bulbe. Au moins trois théories peuvent rendre compte de sa formation, certaines étant également plus probables que d'autres :

- par fusions mineures classiques avec des mergeurs. Dans ce cas, la vitesse et la rotation des mergeurs étant aléatoires, le bulbe perdrait finalement son moment angulaire et s'arrêterait de tourner. Ce n'est pas ce qu'on observe et ce mécanisme n'est donc pas la principale cause de son existence.

- par migrations d'étoiles du disque attirées vers le puit gravitationnel central en raison de la résonnance avec la barre. Cela donnerait effectivement naissance à un bulbe en X avec un transfert d'étoiles jeunes vers le bulbe, lui donnant donc une couleur moins rouge que dans le modèle classique

- par formation in situ primordiale par fragmentation des nuages de gaz suivie par leur accrétion puis leur condensation au centre de la protogalaxie. Ce mécanisme est possible mais exige que les étoiles aient migré au centre du bulbe avant qu'elles soient perturbées par les différents phénomènes astrophysiques. En effet, outres les perturbations gravitationnelles auxquelles le gaz est très sensible, les vents cosmiques générés par l'explosion des supernovae a toute les chances de disperser les nuages de gaz protostellaires avant que naissent les protoétoiles ou avant que ces fragments de gaz n'arrivent au centre de la Galaxie.

La Voie Lactée présente un pseudo-bulbe peu massif et ne semble pas avoir connu de fusion importante depuis quelques milliards d'années. C'est également le cas de la majorité des galaxies qui présentent un bulbe très modeste ou un pseudo-bulbe. Elle n'ont donc pas connu de fusion majeures.

Selon les sondages du ciel profond, environ 10 % des galaxies seulement ont connu des interactions et des fusions au cours des derniers 7 milliards d'années, ce qui est très peu.

Ce constat élimine donc la première théorie. La troisième étant peu probable, il faut considérer que le bulbe de la Voie Lactée comme celui de la plupart des galaxies spirales s'est formé par migration de matière du disque plutôt que par fusion de galaxies.

3. Origine du halo

L'origine du halo stellaire est également controversée. En se basant sur les propriétés des étoiles du halo (dispersion des vitesses, abondance des éléments), en 1962 la première idée des astronomes Olin Eggen, Donald Lynden-Bell et Alan Sandage fut de supposer que la Voie lactée s'était formée par "collapse dissipatif", c'est-à-dire effondrement gravitationnel du gaz constituant le halo : c'est le scénario ELS.

Dans ce scénario, le halo contenait de l'hydrogène qui s'est progressivement effondré en formant un disque renflé en son centre et en rotation qui donna naissance à la Voie Lactée. On retrouverait les étoiles les plus jeunes au centre du disque mince et les plus âgées présentant une faible abondance en éléments lourds en périphérie du halo.

Or on découvrit par la suite suffisamment de contre-exemples pour rejeter cette théorie. En 1977, au cours de la conférence intitulée "The Evolution of Galaxies and Stellar Populations" donnée à Yale, Leonard Searle rejeta cette théorie en expliquant qu'il existait des amas globulaires très âgés présentant tout un gradient d'abondances sans rapport avec leur distance au centre de la Voie Lactée. Son observation fut confirmée la même année par les simulations d'Alan Toomre et par la suite pour d'autres types d'étoiles, donts les variables RR Lyrae en 1991.

Par la suite on découvrit des queues de marées dans le halo (celles des Nuages de Magellan puis de SagDEG) suggérant que le halo était plutôt le résulat des interactions de la Voie Lactée avec de petites galaxies.

Quelle théorie retenir : l'effondrement global ou l'accrétion de matière dans un contexte cosmologique ? Une nouvelle fois, seules les simulations peuvent orienter les chercheurs vers l'une ou l'autre solution plus probable que l'autre.

On peut déjà rapidement évaluer si le halo est homogène et isotrope, ce qui serait un indice de la présence ou non de courants de marées. Les observations indiquent que le degré d'inhomogénéité atteint environ 50 %; autrement dit la moitié des étoiles présentent une distribution homogène. Mais cela ne plaide pas en faveur de l'effondrement car en plus de 10 milliards d'années, les composantes du halo et notamment les filaments et autres queues de marées ont eu tout le temps de se relaxer et de retomber de manière homogène sur le disque. Pour valider le scénario ELS, il faut aller plus loin et quantifier les inhomogénéités existentes et ensuite les modéliser.

Que nous apprennent les simulations ? Aux dernières nouvelles, environ 10 % des étoiles du halo auraient pu se former sur place, sans bénéficier d'accrétion extérieure.

On en conclut donc temporairement que la plus grande partie du halo s'est formée par la fusion de petites galaxies avec la Voie Lactée, le disque contribuant également à libérer une certaine quantité de matière (gaz, poussières et étoiles) dans le halo.

Pour affiner ces conclusions, il faut disposer de plus de données, en particulier du relevé des positions, mouvements propres et vitesses radiales d'un plus grand nombre d'étoiles, c'est la mission du satellite astrométrique GAIA lancé en 2013 qui doit cataloguer 1 milliard d'objets célestes jusqu'à la magnitude 20. 

Son catalogue est attendu vers 2020. Ce jour là, les astronomes pourront simuler l'évolution de la Voie Lactée depuis sa formation en tenant compte de plusieurs centaines de millions de particules-tests représentant les propriétés réelles des étoiles de la Voie Lactée et non plus définies et distribuées au hasard dans un nuage de points, complété par les paramètres des centaines de nébuleuses et nuages moléculaires déjà répertoriés.

L'avenir est prometteur et riche de certitudes.

Pour plus d'informations

Sur ce site

Le trou noir supermassif de la Voie Lactée

L'univers des galaxies (classification des galaxies, interactions, formations)

Download (articles historiques)

La spectroscopie (sur ce site)

Photos et cartes

La Voie Lactée (photographie interactive), Serge Brunier

Milky Way Panorama 2.0, A.Mellinger

Galaxy Map

Carte de la Voie Lactée, National Geographic (12.5 MB, sur ce site)

Carte de la Voie Lactée (poster laminé en anglais), Shop du National Geographic (ou sur AllPosters.fr)

Articles et cours

Formation du disque de la Voie Lactée(PDF), Thèse de Lionel Veltz, 2007

Cours d'astronomie et de cosmologie (PDF, Cours C4, niveau Master), F.Combes, Obs.de Paris-Meudon, 1983

Dynamics of the Milky Way (PDF), Gerhard Ortwin, 2013

Gaia-ESO Survey, 2013 (l'évolution stellaire de la Voie Lactée et sa métallicité)

Galaxy formation : The new Milky Way, Nature, 2012

Overview of the Galaxy, Bruce MacEvoy

The Formation and Evolution of the Milky Way (PDF), C.Chiappini, 2001 (également sur le site de G.Djorgovski)

Formation of the Milky Way, J.E.Hesser et al., ApJ., 1997

The Galaxy-halo connection: Present status and future prospects, Sidney van den Bergh, A&A, 1995

Vidéos (sur YouTube)

Milky Way is a Barred-Spiral With a Peanut Heart, ESO

Fermi discovers giant gamma-ray bubbles in the Milky Way, NASA-GSFC

The helical model - our Galaxy is a vortex, DjSadhu

Vidéos time-lapse de la Voie Lactée, Dakotalapse

Atacama Night Sky, Nicolas Butos

Lever de la Voie Lactée, MockMoon

Under the Namibian Sky, Moreastro

Quelques livres (cf. détails dans ma bibliothèque dont les sections Astronomie et Généralités)

Astronomie, Astrophysique, Agnès Acker, Dunod, 2005/2013

La Voie Lactée, James Lequeux et Françoise Combes, EDP Sciences-CNRS Editions, 2013

A la découverte des galaxies, Alessandro Boselli, Ellipses Marketing, 2007

A la découverte du ciel austral, S.Laustsen/C.Madsen/R.West, EDP Sciences, 1989/1990/1999

En anglais

Atomic Astrophysics and Spectroscopy, A. Pradhan & S. Nahar, Cambridge University Press, 2011/2015

Dynamical evolution of globular clusters, Lyman S. Spitzer, Princeton University Press, 1987/2014

Astronomical Spectrography for Amateurs, s/dir. J.P. Rozelot/C.Neiner, ESP Sciences, 2011

A Photographic Atlas of Selected Regions of the Milky Way, E.E.Barnard, Cambridge University Press, 2011

Galaxy - Exploring the Milky Way, Stuart Clark, Fall River Press/Barnes and Noble, 2008; Quercus, 2009

Astrophysics of Gaseous Nebula and Active Galactic Nuclei, D.E. Osterbrock/G.J. Ferland, University Science Books, 2005

Interstellar Matters, Gerrit L. Verschuur, Springer-Verlag, 1988/2003

The Milky Way - Galaxy Number One, Franklyn M. Branley, Thomas Y. Crowell, 1969

The Milky Way, Bart & Priscilla Bok, Harvard University Press, 1941/1974/1981.

A consulter :

Au-delà de la Voie Lactée

Retour à l'Astrophysique

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