Astronomie d’observation 203-CCB A-2009 Chapitre 12 La nature des nébuleuses spirales

Une brève histoire du centre de l’Univers Les astronomes de l’Antiquité connaissaient déjà l’existence de la Galaxie, ou Voie lactée, cette bande « laiteuse » qui traverse le ciel. Galilée, en 1609, nous apprend que cette traînée blanchâtre était constituée de plusieurs milliers d’étoiles d’intensité trop faible pour être distinguées individuellement. Thomas Wright vers 1740 suggère que nous vivons à l’intérieur d’un disque d’étoiles, le plan du disque coïncidant avec la bande de la Voie lactée. En 1780, William Herschel entreprend de dresser une première carte en trois dimensions de la Galaxie. Le Soleil était approximativement au centre d’un disque aplati d’étoiles cinq fois plus étendu selon le plan de la Voie lactée que selon la perpendiculaire. Les dimensions de ce disque demeuraient indéterminées.

L’Univers de William Herschel En 1780, William Herschel entreprend de dresser une première carte en trois dimensions de la Galaxie. Le Soleil était approximativement au centre d’un disque aplati d’étoiles cinq fois plus étendu selon le plan de la Voie lactée que selon la perpendiculaire. Les dimensions de ce disque demeuraient indéterminées. Soleil

L’Univers de Kapteyn L’Univers de Kapteyn 6 500 a.l. 25 000 a.l. (1851-1922) Système solaire Vers 1900, Jacobus Kapteyn arriva à la conclusion que le Soleil occupait le centre d’un disque aplati d’étoiles de 25 000 a.l. de diamètre et de 6 500 a.l. d’épaisseur.

Rappel Le parsec est défini comme la distance d’une étoile ayant une parallaxe annuelle de 1 seconde d’arc. Soit: 3,24 a.l ou 3,1x1013 km L’étoile la plus près se trouve à environ 1 pc de la Terre.

Le grand débat de 1920 Heber Curtis Harlow Shapley En avril 1920, H.D. Curtis de l’observatoire Lick et Shapley se rencontrent au « National Academy of Sciences » pour débattre de deux grandes questions: Les dimensions de notre Galaxie; La distance et la nature des nébuleuses spirales.

Le grand débat de 1920- Les opposants En 1920 Harlow Shapley était un jeune astronome ambitieux. Il avait publié une série de papiers marquant plusieurs découvertes fascinantes astronomiques - plusieurs fois l'implication des propriétés d'étoiles dans des systèmes binaires ou des groupes globulaires. Il était une gloire montante lui-même - un enfant chéri d'astronomie. Harlow Shapley

Le grand débat de 1920- Les opposants En 1920 Heber D. Curtis était un peu plus vieux, plus établi et très respecté dans le milieu scientifique. Il avait publié une série de papiers sur les propriétés des nébuleuses spirales. Il avait une vision « conservatrice » et exigeait des preuves solides. Heber D. Curtis

Le grand débat de 1920 Les dimensions de notre Galaxie Selon Shapley En basant son modèle sur une distribution asymétrique des amas globulaires, Shapley estima que: le diamètre de notre Galaxie était de 100 kilo parsecs, 10 fois plus grand que la valeur de Kapteyn. Shapley éloigna le centre de la Galaxie d’environ 20 kilo parsecs du Soleil, un changement dramatique. Selon Curtis En basant son analyse sur une méthode de comptage d'étoiles et des évaluations de distance impliquant les types spectraux et les éclats intrinsèques d'étoiles. Curtis reprend la vision plus traditionnelle de Kapteyn et croit que le diamètre de notre Galaxie est d’environ 10 kpc, beaucoup plus petit que la vision de Shapley.

Le grand débat de 1920 La distance et la nature des nébuleuses spirales Selon Shapley, cette grande Meta-galaxie représentait tout l'univers et les nébuleuses spirales n’étaient simplement que des régions d’étoiles en formation. Si les nébuleuses spirales possèdent une dimension comparable à notre Galaxie (100 kpc), ainsi la galaxie d’Andromède M31 serait tellement éloignée que leurs « novæ » devraient être plus brillantes que celles appartenant à notre Galaxie. Les mesures du mouvement propre des nébuleuses spirales par A. van Maanen indiquent qu’elles tournent à raison de 0,02 seconde d’arc par année, ce qui impliquent qu’elles ne sont pas trop éloignées.

Le grand débat de 1920 La distance et la nature des nébuleuses spirales Selon Curtis, les nébuleuses spirales étaient des systèmes d'étoiles - des univers-île semblables à notre propre Galaxie. Il estime la distance nous séparant de ces galaxies entre 150 kpc (M31) jusqu’à 3 000 kpc pour les galaxies les plus éloignées. L’éclat apparent des “novæ” dans les nébuleuses spirales implique des distances >150 kpc Situé à150 kpc, M31 devrait être de dimension comparable à l’univers de Kapteyn

Qui a gagné ? Chacun des participants avait raison sur certains points mais tord sur d’autres points. Harlow Shapley Shapley avait raison d’éloigner le Soleil du centre de la Galaxie. Copernic des temps modernes, Shapley marginalisait à son tour notre position dans l’Univers. Non seulement la Terre n’était pas le centre du système solaire, mais à présent notre Soleil n’était même plus le centre de la Galaxie. Shapley avait également raison dans l’évaluation de l’étendue de notre Galaxie. Harlow Shapley était un grand astronome.

Qui a gagné ? Chacun des participants avait raison sur certains points mais tord sur d’autres points. Heber Curtis Curtis, cependant, avait raison quant à la nature des nébuleuses spirales.

Edwin Hubble En 1925, Hubble annonça qu’il avait découvert dans plusieurs nébuleuses spirales des étoiles variables céphéides. L’estimation de leurs distances les plaçaient largement à l’extérieur de la Voie lactée.

Les céphéides dans M100 Les céphéides dans M100

Variation d’intensité pour les céphéides

Les indicateurs de distance: les étoiles céphéides (< 10 Mpc)

La Galaxie spirale M100 (6 Mpc)

M83 M 83 notre Soleil pourrait être là M83 from AAO, by David Malin, m83.jpg notre Soleil pourrait être là

NGC 4565 notre Soleil pourrait être là Disque Bulbe Noyau (~ 3 kpc) notre Soleil pourrait être là Noyau (~ 3 pc) NGC 4565, ngc4565_mclaughlin_big.jpg Needle Galaxy in Coma, William McLaughlin, 50 million light years Amas Globulaires Halo sphérique (> 30 kpc)

La classification des galaxies selon Hubble

Elliptiques M89 – E0

Elliptiques M87—E1

Elliptiques M32—E2, naines

Elliptiques M49-E4

Elliptiques M59-E5

Lenticulaires M84—S0

Lenticulaires NGC5866 – S03

Spirales M65--Sa

Spirales M104—Sa Sombrero

Spirales M31 -- Sb Andromède

Spirales M33--Sc

Spirales -- barrées M58--SBb

Le décalage vers le rouge À la suite de ses études sur les décalages vers le rouge des spectres de galaxies, Hubble énonça en 1929 une loi nommée depuis la loi de Hubble.

Graphique illustrant la loi de Hubble

La loi de Hubble Constante de Hubble Vitesse de récession (km/s)

Expansion de l’Univers

Georges Lemaître Lemaître pose la question d’une singularité initiale sans pour autant en déduire la nécessité. Il parlera plus tard d’un atome « primitif ». Il croît à l’expansion à partir d’un rayonnement initial, à condition que celui-ci puisse se transformer ensuite en matière. Cette théorie est appelée aujourd’hui la théorie du Big Bang !

Théorie d’un Univers stationnaire (Hoyle, Bondi et Gold) L’univers est en expansion, et il y a création continue de matière, de sorte que la densité moyenne de l’Univers ne change pas. L’Univers n’a ni commencement ni fin. Cette théorie doit être rejetée suite à la découverte de ...

Penzias et Wilson

Rayonnement radio (ou rayonnement (fossile) Rayonnement d’un corps noir. Maximum d’énergie pour une longueur d’onde de 1mm. Identifié comme étant le rayonnement de fond laissé par le Big Bang.

Cosmic Background Explorer (COBE)

Le rayonnement cosmique

Trois principales raisons en faveur de la théorie du Big Bang. Le décompte des radiosources (plus tard, les Quasars). Présence d’une proportion plus élevée de sources faibles que de sources brillantes; Le rayonnement fossile; L’abondance relative des éléments.

Abondance des éléments

Pour obtenir l’âge de l’Univers En extrapolant le taux d’expansion de l’Univers :10 à 20 milliards d’années. En recherchant les plus veilles étoiles (dans les amas globulaires) 11 à18 milliards d’années.

Amas globulaire M15