A galaxy is a gravitationally bound system of stars, gas, dust, and dark matter, often hosting quasars and exhibiting rotational dynamics.Une galaxie est un vaste système d'étoiles, de leurs restes, de gaz, de poussière et de matière noire, maintenu par sa propre gravité. Les galaxies spirales présentent un disque plat avec des bras spiraux et un renflement central, le bulbe. Les galaxies elliptiques ressemblent à un nuage de vieilles étoiles. La masse typique d'une galaxie varie de 10⁹ à 10¹² masses solaires.
L'idée des « univers-îles » a été avancée dès le XVIIIe siècle (Kant, Lambert). Dans les années 1920, Edwin Hubble, à l'aide du télescope de 100 pouces de l'observatoire du Mont Wilson, a distingué des céphéides individuelles dans la nébuleuse d'Andromède et a prouvé qu'elle se situe bien au-delà de la Voie lactée. Dans les années 1970, Vera Rubin a découvert des vitesses de rotation anormalement élevées dans les régions extérieures des galaxies spirales, ce qui est devenu une preuve essentielle de l'existence de la matière noire. La cosmologie moderne considère les galaxies comme des éléments de base de la structure hiérarchique de l'Univers ; leur évolution est étudiée grâce à des relevés profonds, tels que le Hubble Deep Field et les images du télescope JWST.
La formation et l'évolution des galaxies s'expliquent dans le cadre du modèle cosmologique avec matière noire froide (ΛCDM). Les inhomogénéités primordiales de densité croissent sous l'effet de la gravité, créant des halos de matière noire dans lesquels la matière baryonique (ordinaire) s'accumule ensuite. Le gaz refroidit, s'écoule vers le centre et s'enroule en un disque, conservant son moment cinétique. La formation stellaire est déclenchée par des ondes de densité spirales et régulée par la rétroaction des explosions de supernovae et de l'activité du noyau. Les courbes de rotation des galaxies sont décrites par la loi de la gravitation universelle et montrent un excès de masse attribué à la matière noire. Près des noyaux massifs, des corrections relativistes sont nécessaires, décrites par les métriques de Schwarzschild ou de Kerr, en tant que solutions des équations d'Einstein.
L'étude des galaxies montre comment l'Univers évolue. La Voie lactée est notre foyer cosmique et une référence pour les futurs voyages interstellaires.
Les galaxies entrent souvent en collision et fusionnent : dans 4,5 milliards d'années, notre Voie lactée fusionnera avec la galaxie d'Andromède pour former une galaxie elliptique géante.
