cinématique galactique

Le manège tourne : plus on s'assoit loin du centre, plus on est emporté vite. Pour les galaxies, on a longtemps pensé la même chose — les étoiles des confins devraient tourner plus lentement que celles proches du centre. Mais dès les années 1970, on a découvert que dans de nombreuses galaxies spirales, la vitesse des étoiles ne chute presque pas avec la distance au centre.

Une galaxie ressemble à une ville : au centre, des lumières vives et une densité de bâtiments élevée, tandis qu'en périphérie, les lumières se raréfient et laissent place au vide. Mais si l'on observe la rotation du gaz dans le disque galactique, on constate que sa vitesse ne chute presque pas en périphérie.

L'Univers primordial ne ressemblait pas à un étang tranquille, mais à un chaudron bouillonnant. La matière s'y écoulait, entrait en collision, tourbillonnait – et tout cela sur fond d'expansion rapide de l'espace lui-même.

Une galaxie, c'est un peu une autoroute cosmique où les étoiles, telles des voitures, filent en rond. Leur vitesse dépend de la « charge » invisible à l'intérieur de leur orbite : plus il y a de masse, plus les véhicules extérieurs vont vite.

Le bras d'une rivière d'étoiles contourne le centre d'une galaxie lointaine, telle une bande lumineuse sur une monture invisible. Cette monture, c'est le halo sombre : un immense nuage de matière noire invisible qui, par son attraction, retient les étoiles et le gaz.

Une galaxie ressemble à une crêpe lumineuse parsemée d'étoiles. Si on la regarde à plat, on voit tout d'un coup – les bras brillants et les couches sombres de poussière. Mais il suffit d'incliner la crêpe pour que le tableau change : les couches se superposent, la lumière se mélange.

Si vous jetez une poignée de paillettes dans une rivière, certaines suivront le courant, d'autres tournoieront dans de petits remous. Les galaxies de l'Univers font de même : elles ne s'éloignent pas seulement à cause de l'expansion, elles tourbillonnent aussi dans des flux géants, comme des copeaux de bois dans des tourbillons invisibles.

Prenez deux boules lourdes et écartez-les d'un mètre : elles s'attirent avec une force qui diminue d'un facteur quatre lorsqu'on double la distance. Cette loi a été découverte par Newton, et elle fonctionne dans une pièce, dans le système solaire, dans une galaxie.

Jusqu'ici, les astronomes calculaient la masse des galaxies comme s'il s'agissait de sphères parfaites. Or, une galaxie est une crêpe aplatie. Le nouveau modèle « Perdu et retrouvé » tient compte de la forme réelle : il additionne l'attraction de toutes les parties du disque, et pas seulement du renflement central.

Dans les nuages froids de gaz interstellaire s'étirent de longs filaments denses. À l'intérieur, comme dans des incubateurs surpeuplés, mûrissent les futures étoiles.

Quand les étoiles aux abords des galaxies tournent plus vite que prévu, on suppose généralement une matière noire cachée. La nouvelle étude s'en passe, de particules invisibles.

Les étoiles aux confins des galaxies tournent étonnamment vite. Selon Newton, plus on s'éloigne du centre, plus le mouvement devrait être lent — comme dans une ronde où les danseurs extérieurs avancent plus doucement.

Une galaxie ressemble à un manège géant : les étoiles et le gaz tournent autour du centre, et la vitesse de leur mouvement révèle la quantité totale de matière dans ce manège. Si nous ne voyions que la matière lumineuse, les parties externes tourneraient plus lentement que ne le montrent les observations.

Au centre de notre Galaxie se trouve un trou noir supermassif autour duquel gravitent des étoiles. Leur mouvement évoque une ronde : certaines filent sur des orbites allongées, d'autres sur des orbites presque circulaires.

Une planète géante orbite trop près de son étoile. À chaque révolution, elle tire sur l'étoile par sa gravité, et des vagues naissent dans les profondeurs de l'étoile, comme les cercles produits par une pierre jetée dans l'eau. Ces vagues freinent l'orbite de la planète, qui tombe en spirale dans l'étoile. L'étoile avale la planète et se met à tourner plus vite.

Prenez une toupie d'enfant et lancez-la sur une table. Elle tourne régulièrement, et toutes ses parties se déplacent dans la même direction. Maintenant, jetez une poignée de perles sur le sol et soufflez dessus : chaque perle partira dans sa propre direction.

Une carte de ville où, au lieu des rues, on aurait les vitesses des voitures, et au lieu des immeubles, la teneur en métaux des étoiles. Avec une telle carte, on peut repérer le centre et les périphéries sans connaître les distances exactes. C'est précisément cette approche qu'ont adoptée les astronomes pour notre Galaxie, en utilisant les diagrammes « longitude–vitesse » (ℓ–v).

Le télescope spatial Gaia a mesuré la vitesse de rotation de plus de cent mille étoiles. Il s'avère que cette vitesse dépend de la température de l'étoile. Pour les étoiles plus froides que 6500 degrés, la surface se déplace à une vitesse de 10 à 20 kilomètres par seconde.

À grande échelle, l'Univers ressemble à une toile d'araignée géante : les amas de galaxies brillants sont reliés par de longs filaments de galaxies, de gaz et de matière noire. On pensait auparavant que la matière s'écoulait le long de ces filaments comme dans des tuyaux vers les amas.

Trois galaxies lointaines tournent comme des manèges géants. Leurs étoiles et leur gaz se déplacent le long de bras spiraux, et la vitesse de ce mouvement permet de calculer la quantité totale de matière dans la galaxie — visible et invisible.

Les vortons sont des cerceaux cosmiques invisibles, des boucles fermées de courbure de l'espace-temps. Plus fins qu'un atome mais plus lourds que des étoiles, ces reliques du Big Bang tournent comme des manèges géants, enroulant tout autour d'eux.

En 2019, le télescope Event Horizon a offert à l'humanité la première image de l'ombre d'un trou noir. Depuis, les astrophysiciens rêvent de plus : voir comment la matière se déplace dans l'entonnoir même de l'espace-temps. L'une des énigmes est le chaos.

Le Système solaire effectue une révolution complète autour du centre de la Voie lactée en 210 millions d'années. La dernière fois que nous étions du même côté de la Galaxie, les premiers dinosaures parcouraient la Terre. Ce chiffre, 243.72 km/s, a pu être affiné grâce à de rares étoiles qui traversent la Galaxie comme des boulets de canon.