courbe de rotation des galaxies

Le ciel nocturne semble paisible, mais en réalité il est traversé par une pluie invisible de particules chargées : les rayons cosmiques. Les scientifiques cherchent depuis longtemps à comprendre où naissent les plus énergétiques d'entre eux.

Une pierre lancée décrit une courbe, mais une planète autour du Soleil suit une courbe fermée. Pourquoi une ellipse plutôt qu'un cercle ou une spirale ? La première loi de Kepler donne la réponse, mais sa démonstration exige d'ordinaire des calculs complexes. Ce travail propose un chemin plus court — à travers un simple rapport de vitesses.

L'interprète sursaute au moindre bruit dans la salle — et une réunion d'une heure s'étire sur deux. Une étoile à neutrons comprime la masse du Soleil dans une sphère de la taille d'une ville, et la matière en son cœur est plus dense que le noyau atomique. Les physiciens ne peuvent pas vérifier sa structure en laboratoire : la pression requise est impossible à créer.

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 pierre lancée suit une trajectoire courbe et retombe. Une planète autour d'une étoile, c'est la même pierre, mais qui tombe indéfiniment, en décrivant une courbe fermée autour de l'astre. Dans le monde de Newton, cette courbe est une ellipse parfaite, et la planète revient au même point à chaque révolution.

Au cœur de la Voie lactée, des étoiles tournent autour d'un trou noir supermassif invisible. L'une d'elles, S301, fait le tour complet en seulement 8,7 ans. Sa trajectoire ressemble à une ellipse très aplatie : tantôt elle frôle le trou noir, tantôt elle s'en éloigne. Au moment de la plus grande approche, la distance qui l'en sépare devient minuscule à l'échelle cosmique.

Un météorologue trace une épaisse ligne noire à travers toute l'Europe : au nord, le gel ; au sud, le dégel. Cette frontière — l'isotherme zéro — ne vous dira pas quelle température il fait à Stockholm ou à Rome, mais elle vous dira honnêtement où l'hiver se termine.

À 26 000 années-lumière de la Terre, au cœur de la Voie lactée, l'étoile S301 file à travers l'espace à 18 000 kilomètres par seconde. Elle contourne le trou noir supermassif Sgr A* sur une orbite allongée.

Un rayon de lumière qui passe près d'un corps massif est dévié — c'est l'effet de lentille gravitationnelle, bien connu grâce aux images de galaxies lointaines.

Lorsqu'une planète lointaine passe devant son étoile, elle masque brièvement une partie de la lumière. Les astronomes appellent cela la méthode du transit et, grâce à la profondeur de la baisse de luminosité, ils en déduisent la taille de la planète. Mais la lumière a une propriété : un corps massif agit comme une lentille.

Parmi les blocs de glace qui filent dans le vide, il y a des voyageurs particuliers : les comètes interstellaires. Elles sont nées autour d'étoiles lointaines et ont accidentellement fait irruption dans notre voisinage. L'une d'elles, 3I/ATLAS, s'est retrouvée dans le viseur des télescopes alors qu'elle s'approchait du Soleil.

La naissance quantique de l'Univers évoque un jeu de dés où la probabilité d'obtenir un six est désastreusement faible.

Le halo de notre Galaxie est un immense nuage diffus d'étoiles anciennes qui enveloppe le disque que nous connaissons. Il conserve la mémoire de la croissance de la Voie lactée, qui a absorbé des galaxies naines voisines.

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.

Comme une rivière qui disparaît soudain sous terre, le bras de Persée de la Voie lactée s'interrompt dans une région que les astronomes appellent le Golfe de la Girafe. Là où la bande lumineuse d'étoiles devrait se poursuivre, on voit un « vide » sombre.

Autour de chaque galaxie se trouve une enveloppe invisible de gaz chaud, comme la vapeur au-dessus d'une casserole d'eau bouillante. Ce gaz émet très peu de rayons X, ce qui le rend très difficile à mesurer. Pourtant, c'est en lui que se trouve la mémoire des explosions d'étoiles et de la croissance de la galaxie.

Lorsqu'elles traversent un gaz magnétisé, les ondes radio voient leur polarisation légèrement déviée, un peu comme l'aiguille d'une boussole qui s'incline près d'un aimant. Cette déviation, appelée effet Faraday, a révélé l'environnement invisible autour du trou noir supermassif de la galaxie NGC 1275.

Une galaxie lointaine, semblable à notre Voie lactée, souffle du gaz dans l'espace comme un sèche-cheveux chasse la poussière d'une table. Sept rayons de lumière provenant d'un objet encore plus distant ont traversé ce nuage de gaz, et les astronomes ont constaté que le flux de gaz est étroit, comme un jet d'eau, et non large comme un éventail.

Les ondes gravitationnelles sont des ondulations de l'espace, produites par exemple par des paires de trous noirs supermassifs qui tournent l'un autour de l'autre. Pour les capter, les scientifiques suivent des pulsars — des étoiles mortes qui émettent des impulsions radio avec une précision d'horloge.

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 planètes géantes lointaines tournent si près de leur étoile que leur année ne dure que quelques jours terrestres. Ces mondes sont appelés Jupiter chauds, et leurs orbites sont une véritable énigme : comment ont-ils pu se retrouver si près de l'étoile alors qu'ils sont nés loin, dans les confins froids du système ?

Les galaxies de l'Univers ne sont pas dispersées au hasard : les voisines se déplacent dans la même direction, comme un banc de poissons, tandis que les lointaines suivent chacune leur propre chemin. Où se situe la frontière entre « ensemble » et « séparément » restait jusqu'ici flou.

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.

L'Univers est en expansion, et chaque amas de galaxies participe à une danse grandiose. Le rythme de cette danse est donné par la constante de Hubble, mesurée pour la première fois par Edwin Hubble il y a près d'un siècle.

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.

La galaxie NGC 1560 est une modeste île d'étoiles et de gaz à dix millions d'années-lumière de nous. Sa courbe de rotation, mesurée pour la première fois en 1991, est devenue une icône pour ceux qui cherchent une alternative à la matière noire.

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.