Les
bras spiraux des galaxies
La rotation
différentielle
L’origine de la
structure spirale de certaines galaxies reste encore de nos
jours un sujet d’étude. La première tentative d’explication consistait à dire
que la forme spirale était due à la rotation différentielle de la galaxie.
Ainsi, les parties internes tournaient plus vite que les parties externes et la
structure spirale apparaissait tout naturellement avec le temps.
Malheureusement pour cette explication, les bras auraient fini par s’enrouler
sur eux-mêmes tout en s’étirant. Ils auraient rempli toute la galaxie en un
temps de l’ordre du milliard d’années, ce qui est incompatible avec les
observations.
La galaxie spirale
barrée Messier 83, située à 15 millions d’années-lumière (constellation de
l’Hydre). Crédit : ESO/VLT
Les ondes de
densité
Depuis, d’autres
théories ont fait leur apparition. La première est celle des ondes de densité,
un mécanisme suggéré par l’astronome suédois Bertil Lindblad dans les années
1940 et appliqué en modèle des galaxies spirales par les américains Chia-Chiao
Lin et Frank Shu en 1964.
Nous savons
qu’une onde sonore correspond à des variations périodiques de la pression d’un
gaz. De façon similaire, les ondes de densité sont des variations de la
concentration de matière qui se propagent dans la galaxie. Les bras spiraux ne
sont pas liés à des étoiles données, ce sont simplement des régions où la
matière est temporairement plus concentrée. Ainsi, les bras peuvent se déplacer
en bloc, indépendamment de la matière, ce qui explique que leur forme ne change
pas avec le temps.
Comme la densité de
matière est élevée dans les bras, le gaz interstellaire s’y trouve comprimé,
ce qui provoque l’effondrement de nuages moléculaires et la formation d’étoiles massives et
brillantes. Au contraire, entre les bras, se trouvent des régions de faible
densité sans étoiles massives qui sont donc beaucoup moins visibles.
Cette théorie
explique l’existence de bras spiraux, mais elle présente deux difficultés.
D’abord, elle n’explique pas le phénomène qui donne naissance aux ondes de
densité. Ensuite, elle n’explique pas comment les ondes de densité sont
entretenues alors qu’elles devraient avoir tendance à se dissiper au bout de
quelques millions d’années.
L’autopropagation
de la formation d’étoiles
Une autre théorie
initialement proposée par les astronomes américains Mark W. Mueller et W. David
Arnett en 1976 est celle de l’autopropagation de la formation d’étoiles.
Les étoiles
massives achèvent leur existence par de formidables explosions en supernova qui peuvent déclencher l’effondrement
de nuages moléculaires et donc la formation
de nouvelles étoiles massives. Si les premières étoiles sont alignées le long
d’un bras spiral, les nuages moléculaires qui s’effondrent et les nouvelles
étoiles formées le sont également. Plus tard, ces dernières exploseront à leur
tour et donneront naissance à une nouvelle série, toujours dans le même bras.
De cette façon, la forme du bras spiral se conserve de génération en génération
d’étoiles.
Évidemment, cela
n’explique pas l’origine première de la forme spirale, mais les premières
étoiles peuvent très bien apparaître lors de collisions aléatoires entre nuages
moléculaires et la forme spirale naître par suite de la rotation différentielle
de la galaxie.
La galaxie spirale
NGC 1350 à 85 millions d’années-lumière observée par le VLT en 2005. Crédit :ESO/VLT
Les deux
mécanismes
Laquelle des deux
théories est la bonne ? Il semble en fait que les deux mécanismes existent et
qu’ils donnent lieu à des types différents de spirales. Les ondes de densité
sont probablement en jeu dans les galaxies possédant des bras spiraux fins,
nets et clairement définis. C’est en particulier le cas dans les spirales qui
possèdent une barre centrale capable d’entretenir le phénomène ou dans celles
qui ont subi des interactions gravitationnelles avec d’autres galaxies.
L’autopropagation de la formation d’étoiles serait quant à elle plutôt en cause
dans les galaxies qui présentent des bras spiraux incomplets, épais ou mal
définis.
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