À partir de 1610, lorsque le célèbre polymathe de la Renaissance Galileo Galilei a observé le ciel nocturne à l’aide d’un télescope de sa propre fabrication, les astronomes ont progressivement réalisé que notre système solaire faisait partie d’une vaste collection d’étoiles connue aujourd’hui sous le nom de galaxie de la Voie lactée. Au XXe siècle, les astronomes avaient une bonne idée de sa taille et de sa structure, qui consistait en un « renflement » central entouré d’un disque étendu avec des bras en spirale. Malgré tout ce que nous avons appris, déterminer la véritable morphologie de la Voie lactée est resté un défi pour les astronomes.
Puisque nous, les observateurs, sommes intégrés dans le disque de la Voie lactée, nous ne pouvons pas voir à travers le centre et observer ce qu’il y a de l’autre côté. En utilisant diverses méthodes, cependant, les astronomes se rapprochent de recréer à quoi ressemblerait une vue «à vol d’oiseau» de la galaxie. Par exemple, une équipe de chercheurs de l’Académie chinoise des sciences (CAS) a utilisé les emplacements précis de très jeunes objets dans notre galaxie (pour la première fois) pour mesurer la morphologie de la Voie lactée. Cela a révélé une morphologie à bras multiples composée de deux bras symétriques dans la région interne et de nombreux bras irréguliers dans la région externe.
L’équipe était dirigée par Xu Ye, un radioastronome de l’Observatoire de la montagne pourpre à Nanjing et de l’École d’astronomie et des sciences spatiales (SASS) de l’Université des sciences et technologies de Chine (UCAS). Il a été rejoint par plusieurs astronomes et astrophysiciens de l’Observatoire de Purple Mountain, du SASS/UCAS et des Observatoires astronomiques nationaux de Chine à Pékin. L’article qui décrit leurs découvertes, intitulé « À quoi ressemble la Voie lactée ? » récemment paru dans Le Journal Astrophysique.
Ce que nous savons de la structure de la Voie lactée est en grande partie grâce au travail de pionnier de William W. Morgan, qui a joué un rôle déterminant dans la classification des étoiles et des galaxies. Au cours des années 1950, lui et ses collègues ont utilisé des mesures spectroscopiques de parallaxe d’étoiles de grande masse pour cartographier la Voie lactée et ont découvert trois courts segments de bras en spirale. La structure à grande échelle a été cartographiée peu de temps après sur la base des distances des nuages d’hydrogène neutre (HI) (dérivés de méthodes cinématiques), ce qui a révélé que ces bras spiraux s’étendaient presque sur tout le disque galactique.
Cependant, les distances des nuages d’hydrogène neutre se sont avérées avoir de grandes incertitudes en raison de mouvements non circulaires (particuliers), ce qui rend les résultats de ces premières études peu fiables. Les méthodes photométriques sont beaucoup plus précises que les méthodes cinématiques. Cependant, ils ne peuvent être utilisés que pour déterminer des objets à des distances allant jusqu’à environ 2 kiloparsecs (~ 6500 années-lumière) – environ 6,5% du diamètre de la Voie lactée. Pour cette raison, les méthodes cinématiques sont encore largement utilisées pour étudier l’ensemble de la Voie lactée. Cela a conduit à des cartes modernes qui comprenaient quatre bras principaux : les bras Sagitarrius, Orion, Perseus et Cygnus (du plus proche au plus éloigné du centre galactique).
Malgré les améliorations des méthodes cinématiques et optiques, la détermination de la structure de la Voie lactée reste un défi de taille pour les astronomes. Ainsi, le débat se poursuit sur des questions fondamentales telles que le nombre de bras, l’existence de certains bras spiraux et la taille globale de la Voie lactée (les estimations sont sujettes à une incertitude de ± 3 590 années-lumière). Comme Ye l’a dit à Universe Today par e-mail, la meilleure façon de régler ce débat est d’utiliser de jeunes étoiles comme « traceurs en spirale », ce qui donnera des mesures de distance précises :
« Cartographier directement la structure en spirale de la Voie lactée s’est avéré être une entreprise difficile. Les régions de formation d’étoiles et les jeunes étoiles peuvent tracer les bras spiraux des galaxies. Connaissant les distances aux régions de formation d’étoiles ou aux jeunes étoiles, on peut les localiser en trois dimensions et construire une « vue en plan » – une vue du dessus du disque – de la Voie lactée. Les astronomes ne peuvent donner un sens à la Voie lactée que s’ils connaissent les distances des jeunes objets, donc les méthodes de mesure de distance sont importantes.
Pour des galaxies comme la Voie lactée, les bras spiraux se composent de deux composants principaux : un motif en spirale indiqué par la distribution de la population stellaire plus ancienne ; et des régions de gaz interstellaire diffus ou dense et de jeunes objets. Il s’agit notamment des régions de formation d’étoiles de masse élevée (HMSFR), des étoiles massives O – B, des régions d’hydrogène gazeux interstellaire (Hii), des jeunes amas ouverts (YOC) et autres. Depuis le début du siècle, les astronomes ont fait des progrès substantiels dans la mesure de la structure de la Voie lactée à l’aide de jeunes objets.
Cela est dû en grande partie à l’émergence de l’interférométrie à très longue base (VLBI), qui a permis des mesures de distance précises (via la parallaxe trigonométrique) pour les régions de formation d’étoiles dans toute la galaxie. Les ESA Observatoire Gaïa a également fourni des données précises sur le mouvement et la distance appropriés de nombreuses jeunes étoiles, aidant les astronomes à déterminer la structure en spirale de la galaxie à proximité du système solaire. La combinaison de mesures de distance et de vitesse plus précises a conduit Yu et ses collègues à des conclusions intéressantes. Comme il l’a expliqué :
« Traditionnellement, on peut construire un modèle simple de la vitesse de rotation des étoiles et du gaz de formation d’étoiles en fonction de la distance au centre de la Voie lactée. Ensuite, si l’on mesure la composante de la ligne de visée de la vitesse d’une étoile ou d’un gaz, on peut déterminer sa distance en faisant correspondre l’observation avec la prédiction du modèle (c’est-à-dire une distance cinématique).
“En utilisant les emplacements précis d’objets très jeunes fournis par les projets BeSSeL et VERA (VLBI) et par le satellite Gaia de l’ESO, pour la première fois, nous révélons que notre galaxie a une morphologie à bras multiples qui consiste en une symétrie à deux bras dans le parties intérieures et qui s’étend jusqu’aux parties extérieures, où il y a plusieurs bras longs et irréguliers.
Selon les résultats de l’équipe, la structure de la Voie lactée se compose des bras Perseus et Norma dans la région intérieure et du Centaurus, Sagittarius, Carina, Outer et Local Arm dans la région extérieure. Ces découvertes sont étayées par ce qui a été observé avec les galaxies spirales externes, qui se répartissent en trois catégories largement distinctes en fonction de leur morphologie. Cela inclut les galaxies de grande conception, les galaxies à bras multiples et les galaxies floconneuses, qui se différencient par la proéminence ou la subtilité de leur structure en bras en spirale.
Alors que les galaxies de grande conception comme M81 (voir ci-dessus) ont des bras spiraux bien définis, les galaxies à plusieurs bras et floconneuses comme NGC 4237 (illustrées ci-dessus) sont plus inégales et ont des bras spiraux discontinus, ce qui leur donne une apparence plus “duveteuse”. De plus, presque aucune galaxie externe n’a été trouvée où quatre bras spiraux ont été observés s’étendant des centres à leurs régions extérieures. Comme Yu l’a résumé :
« Dans notre travail, basé sur des données de haute précision de divers jeunes objets, nous avons découvert que la Voie lactée est une galaxie à bras multiples. C’est la principale différence entre notre carte et les cartes existantes, qui fournit une alternative possible pour les études futures de la structure galactique. Par ailleurs, 83% des galaxies externes à bras multiples présentent clairement deux bras internes. Par conséquent, dans ce cas, la morphologie de notre Galaxie est similaire à celles de la plupart des galaxies à bras multiples de l’univers. En bref, nos découvertes suggèrent que la structure en spirale de la Voie lactée n’est peut-être pas aussi unique qu’on le pensait auparavant.
Ces découvertes pourraient avoir des implications drastiques pour notre compréhension de la Voie lactée. Il est également réconfortant de savoir qu’en termes de morphologie, les résultats de l’équipe montrent que notre galaxie n’est pas une valeur aberrante mais un exemple d’objet astronomique statistiquement significatif.
Lectures complémentaires : arXiv
