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Le Monde des Galaxies
Quelques rappels :
Nous avons étudié:
en 2002 le Système solaire
C’ est l’ensemble des objets soumis au champ de gravitation du Soleil (notre étoile)
Le système solaire s’étend jusqu’ à une distance de 2 années lumières
1 al = 9,46 1012 km.
Planètes et leurs satellites, astéroides, comètes.
en 2003 le Monde des étoiles
Les étoiles sont des astres qui ont des masses comprises entre 0.08 et 60
Masse solaire (MS) .
Types spectraux : O, B, A, F, G, K, M, R, N.
Températures 35000 ° K ( O5) 2600° K ( M5)
Durée de vie dépend de la masse initiale: plus la masse est grande , plus
court est la durée de vie.
Fin de vie dépend aussi de la masse
Naines blanches ( m < 1,4 MS), Etoile à neutrons (1,4 <m <3 MS)
Trou noir ( m > 3 MS)
Distances: étoile la plus proche alpha du centaure située à 4,3 al
soit 1,3 pc
A La Découverte Des Galaxies Définition: Une galaxie est un ensemble lié d’ étoiles , de gaz et de poussières de diamètre moyen de l’ordre de 100.000 al , le nombre d’étoiles est de l’ordre de 100 milliards et dont la masse de gaz représente de zéro à 30% de la masse totale. L’analyse du contenu des galaxies (proportion des différents types d’étoiles, des régions de gaz chaud, des régions de gaz froid) montre que la séquence des types morphologiques a une signification physique liée à la proportion d’étoiles jeunes et de gaz.
L’ANALYSE DU CONTENU se fait à partir DE METHODES D’OBSERVATIONS qui seront décrites dans le cours de G. COMTE.
Un peu d’histoire
L’observation de la voie lactée révèle que celle ci contient des astres qui ont une image étendue et diffuse, d’où le nom général de NEBULEUSES. C. Messier (1771, 1784) publie les premiers catalogues de 45 et 103 nébuleuses (M1 = nébuleuse du crabe).
W. et J. Herschel observent les nébuleuses avec un télescope de 122cm et constatent que certaines d’entre elles sont des amas d’étoiles et que d’autres ne se résolvent pas en étoiles. W. Herschel émet l’hypothèse de l’existence d’un fluide lumineux non résoluble. D’où quelle est la nature de ces dernières nébuleuses, seraient elles d’autres voies lactées?? En 1840 J.Herschel publie le « General Catalogue »qui contient 5000 nébuleuses et amas.
Dreyer (1888) publie le « New General Catalogue comprenant 7800 objets; Andromède est identifiée comme NGC 224.
1850 Lord Rosse (télescope de 133cm) découvre que certaines nébuleuses ont une “structure spirale”.
La spectroscopie des nébuleuses réalisée par Huggins (1864) indique 2 types de spectres:
les spectres où apparaissent des raies d’émission dues à l’émission d’un gaz excité
les spectres qui ont des raies d’absorption comme celles observées dans les spectres stellaires.
Mais restait à connaitre la distance des nébuleuses pour cerner leur véritable nature.
IL FALLAIT DETERMINER LES LIMITES DE NOTRE GALAXIE
La structure de notre galaxie a été explorée par W. Herschel et J.C. Kapteyn, (méthode de comptage) . Cette méthode a montré que:
Notre galaxie est un système plat de 30.000 x 6000 a.l. et a conduit à placer notre système solaire au centre de ce système.
H. Shapley en étudiant la distribution dans l’espace des amas globulaires, montre que celle ci est symétrique en latitude mais dissymétrique en longitude, et conclut que LE SOLEIL N’EST PAS AU CENTRE DE LA GALAXIE.
En 1917 Shapley propose le modèle suivant:
La majorité des étoiles sont dans un disque plat dont le diamètre est de 300000 a.l. et le centre est situé dans la direction de la constellation du Sagittaire.les amas globulaires sont répartis de manière sphérique autour du centre de la galaxie.
On sait aujourd’hui que notre galaxie est constituée d’une centaine de milliards d’étoiles de gaz interstellaire contenant des grains de poussières (voir schéma) et que ces composants ne forment que 10% de sa masse.
Les 90% de la masse sont de la matière noire dont on ne connait pas la constitution .
Le bulbe de forme ellipsoidale a un diamètre de 20 000 a.l.et une épaisseur de 3000 a.l.
Le disque a une épaisseur de 1000 a.l. et s’étend sur 100000 a.l.
Le halo est une sphère de 50000 a.l. de rayon.
Le Soleil est situé à 30000 a. l. du centre de la galaxie
J. COLIN fera une étude détaillée des différentes composantes de notre galaxie qui se distinguent par leur contenu ainsi que par les âges et les mouvements des étoiles. Il vous dira comment on a mis en évidence l’existence de la matière noire dans l’Univers.,
Le Grand Débat
Les galaxies ont été reconnues seulement vers les année 1920-1935 comme le constituant fondamental de l’Univers après de longues discussions. C’est la difficulté dans l’estimation des distances qui a joué un rôle crucial dans le débat sur la nature des nébuleuses qu’il fallait localiser par rapport à une galaxie dont les dimensions étaient controversées. Deux visions s’affrontent:
Shapley place des petites nébuleuses spirales et elliptiques dans le halo de notre galaxie dont il surestime les dimensions.
Curtis défend la conception des “îles univers” et considérait de grandes nébuleuses spirales et elliptiques analogues à notre galaxie et situées bien au-delà de celle-ci
En 1924 Hubble observe des Cépheides dans plusieurs nébuleuses , et applique la relation “période luminosité”.
Ainsi il trouve que la nébuleuse d’Andromède est située à une distance de 900.000 a.l. ( la valeur actuelle de la distance de 2 millions a.l.) , bien à l’extérieur de notre galaxie.
Les travaux de Trumpler sur l’absorption interstellaire et la détermination des distances des nébuleuses par Hubble mettent fin au grand débat.Certaines nébuleuses constituent de vastes systèmes stellaires analogues à notre galaxie et situées à de grandes distances.
Galaxies sont ces “nébuleuses”extérieures à notre galaxie et les Nébuleuses sont les nuages de gaz dans la galaxie;
Classification des Galaxies
Galaxies elliptiques: constituées d’étoiles vieilles et contiennent une très faible quantité de gaz et de poussières.
Galaxies spirales:(classiques ou barrées) constituées d’un noyau entouré d’un disque ou apparait la structure spirale.Contiennent des étoiles de tous les âges , grandes quantités de gaz et de poussières .
Galaxies irrégulières: aspect difforme , elles sont riches en gaz et en poussières.
Galaxies particulières: qui ont des formes diverses et sont le résultat d’interaction gravitationnelle entre galaxies.
Galaxies à noyau actif:Ces galaxies se distinguent par la présence en leur centre d’une région extrêmement petite (noyau) dans laquelle une très grande quantité d’énergie est produite. On distingue:
Les galaxies de Seyfert : galaxies spirales qui ont au centre une région très brillante dont l’éclat varie. Le noyau peut émettre 10 fois plus de lumièere que toute la voie lactée. Les radiogalaxies ce sont des galaxies elliptiques et présentent un rayonnement extrêmement puissant dans le domaine radio, qui provient du noyau central et de deux lobes à peu près symétriques qui peuvent s’étendre àdes millions d’années lumière du noyau. Les blazards objets apparaissant comme des objets ponctuels extrêmement brillants et fortement variables. Ce sont probablement un cas particulier de radiogalaxies.
Les quasars
En examinant des radio sources , Alan Sandage (1960) découvre que certaines d’entre elles coincident avec des étoiles très bleues don’t le spectre montre des propriétés étranges, celui ci correspond à des raies d’émission fortement décaléés vers le rouge.
En calculant leur distance on trouve que ces “étoiles” se trouvent à des milliards de a.l..
Et d’après leur magnitude apparente on en déduit que ces “étoiles” rayonnent comme 10000 fois notre galaxie toute entière.
Il ne peut donc pas s’agir d’étoiles mais de galaxies extraordinairement brillantes.
Evolution des Galaxies:
Elle est réglée par les transformations mutuelles que subissent ses constituants fondamentaux: les étoiles et le gaz.
Initialement une galaxie se forme à partir d’un immense nuage de gaz en rotation qui se contracte à mesure qu’il perd de l’énergie sous l’effet des collisions entre les nuages plus petits qui le constituent.
Au cours de ces collisions des étoiles naissent et appauvrissent la galaxie en gaz, et le nuage initial s’aplatit . Les étoiles évoluent et restituent une faible partie du gaz initial mais ce gaz est enrichie en éléments lourds fabriqués par les étoiles.
L’évolution d’une galaxie se traduit par un appauvrissement progressif en gaz au profit des étoiles et un enrichissement en éléments lourds du milieu interstellaire résiduel.
AMAS et SUPER AMAS DE GALAXIES:
Les galaxies en général ne sont pas isolées elles ont tendance à se regrouper. On distingue:
Les GROUPES de galaxies quand l’ensemble contient moins d’une centaine de galaxies.
Ensuite on a des AMAS dont la taille caractéristique est de l’ordre de quelques Mpc (une dizaine de millions de a.l.)
Ces amas se regroupent en SUPER AMAS de taille de quelques dizaines de Mpc ( une centaine de a.l.)
Le GROUPE LOCAL: dont notre galaxie et la galaxie d’Andromède sont les membres les plus importants. On connait 30 membres. Taille environ 1 Mpc (~3 millions de a.l. )
Amas de la Vierge est à 52 millions de a.l. et contient quelques centaines de galaxies essentiellement spirales et irrégulières et une géante elliptique M 87;
Cette image montre les galaxies dans une tranche de l’univers de 4 degrés d’épaisseur .On voit les concentrations en amas et superamas,les filaments qui relient les superamas et les zones de vide en forme de bulles.
Inconvénients de la promiscuité:
Dans un amas la distance entre 2 galaxies est en moyenne de l’ordre de 10 fois leur diamètre seulement les rencontres entre les galaxies sont donc assez fréquentes
Ainsi Andromède qui se rapproche de notre galaxie à la vitesse de 90 km/s aura une collision avec notre galaxie dans quelques milliards d’années
On a deux sortes de collisions:
On peut avoir des rencontres très proches sans collision, les forces de gravité (forces de marées) déforment les galaxies , les orbites des étoiles sont perturbées, il peut y avoir échange d’étoiles entre les deux galaxies.
Existence de pont de matière , échange d’étoiles
Collisions frontales: là encore les orbites des étoiles sont perturbées,les chocs entre les étoiles sont inexistants (distance entre les 2 étoiles est 10 millions de fois plus grande que leur diamètre). Les galaxies sont déformées. Mais les nuages de gaz s’écrasent l’un contre l’autre,sont comprimés et chauffés durant le choc il y a déclenchement de formation d’étoiles, dans l’opération les 2 galaxies peuvent perdre complètement leur gaz.
L’Histoire de l’Univers
Comment et quand se sont formées les galaxies que nous observons actuellement?
Formuler une représentation de l’univers et énoncer son histoire constituent des désirs que l’on retrouve dans toutes les civilisations mêmes anciennes.
Marc Lachièze –Rey nous exposera l’évolution des idées au cours du temps et fera une introduction à la relativité génerale et montrera que cette théorie permet de construire des modèles d ‘univers.
Alberto Cappi fera un exposé détaillé sur la théorie du big bang , ses limites et discutera les nouveaux résultats d’observations qui remettent en cause la théorie du Big Bang.
Le Big Bang est un évènement assimilable à une gigantesque explosion qui d’après les modèles cosmologiques retenus actuellement serait à l’origine de l’Univers.
Ces modèles théoriques décrivent l’évolution d’un univers homogène et isotrope en expansion à partir d’un état initial de température et densité infinies.
Les Faits d’observation en faveur de la théorie du big bang:
Mouvement de récession des galaxies ( décalage spectral vers le rouge des galaxies observé vers E. Hubble vers 1930) interprété comme un mouvement d’expansion.
Le rayonnement du fond du ciel ( prédit par Gamov 1948) et détecte par A. Penzias et R. Wilson en 1965 le 3°K ou rayonnement fossile.
L’abondance chimique des éléments légers hydrogène et hélium: les valeurs observées impliquent que l’univers a connu une phase primordiale très chaude et très dense.
Mais cependant ce modèle présente des failles et au fur et à mesure que les observations deviennent de plus en plus précises le modèle du Big Bang présente des contradictions.
Pour mesurer l’expansion on a observé des super novae lointaines. Et les explosions sont toutes plus faibles que ce que la loi d’expansion régulière du Big Bang prévoyait, c-à-d que les super novae se touvent plus loin que prévu. Il semblerait que l’expansion s’accélère. On évoque l’énergie sombre ou lénergie noire qui augmenterait le volume de l’univers.
D’après le modèle du big bang, les premières galaxies auraient été formées quelques milliards d’années après l’expansion, mais on a observé en 2004 une galaxie qui serait apparue 750 millions d’années après l’explosion et quelques mois après au VLT une galaxie encore plus vieille , elle aurait été formée quand l’univers avait 475 millions d’années.
Ainsi les problèmes ne sont pas résolus
