Les astronomes ne peuvent toujours pas dire exactement combien de galaxies existent. L'estimation actuelle se situe quelque part entre 200 milliards (2×10^11) et 2 billions, et cette plage elle-même raconte une histoire : chaque fois que les télescopes se sont améliorés dans la détection de faibles et lointaines taches de lumière, le décompte a augmenté.
Une galaxie, dans sa forme la plus simple, est un ensemble lié gravitationnellement d'étoiles, de gaz, de poussière et de matière noire. Mais « galaxie » couvre une gamme énorme d'objets. Les galaxies contiennent en moyenne environ 100 millions d'étoiles et vont des naines avec moins de mille étoiles aux supergéantes avec cent billions d'étoiles, chacune en orbite autour du centre de masse de sa galaxie. Cet article examine les galaxies comme classe d'objets – comment elles sont classées, leur taille, ce qui les maintient ensemble et laquelle détient actuellement le record de la plus éloignée.
Combien de galaxies y a-t-il ?
Le Hubble Deep Field, une exposition extrêmement longue d'une portion relativement vide du ciel, a donné aux astronomes leur première prise réelle sur la question : il a fourni des preuves d'environ 125 milliards (1,25×10^11) de galaxies dans l'univers observable. Ce nombre semblait autoritaire pendant des années, principalement parce qu'il provenait de l'image la plus profonde que les télescopes spatiaux aient jamais produite.
Puis, en 2016, une étude dirigée par Christopher Conselice de l'Université de Nottingham, publiée dans The Astrophysical Journal, a combiné de nombreuses sources de données supplémentaires et a porté l'estimation à au moins deux billions (2×10^12) de galaxies dans l'univers observable jusqu'à redshift z=8 – environ dix fois plus que ce qui est directement vu dans les images de Hubble. L'écart entre les deux chiffres n'est pas une erreur dans l'une ou l'autre étude ; il reflète le nombre de galaxies trop faibles, trop petites ou trop éloignées pour qu'une image de référence comme le Hubble Deep Field les résolve individuellement.
Des naines aux supergéantes
La plupart des galaxies ont un diamètre de 1 000 à 100 000 parsecs, soit environ 3 000 à 300 000 années-lumière, et elles sont séparées de leurs voisines par des distances de l'ordre de millions de parsecs. Cet écart est important : le diamètre d'une galaxie typique est mesuré en milliers d'années-lumière, mais l'espace vide entre elle et la galaxie suivante est mesuré en millions.
Dans cette plage de 1 000 à 100 000 parsecs se trouve une énorme répartition des populations. Une galaxie naine peut contenir moins de mille étoiles, tandis qu'une supergéante peut en contenir environ cent billions – une différence d'environ onze ordres de grandeur dans le nombre d'étoiles entre les plus petites et plus grandes galaxies connues.
La plupart d'une galaxie, vous ne pouvez pas la voir
Les étoiles et le gaz lumineux sont ce qui rend une galaxie visible, mais ils ne constituent pas la majeure partie de sa masse. La majeure partie de la masse d'une galaxie typique est sous forme de matière noire, avec seulement quelques pour cent de cette masse visible sous forme d'étoiles et de nébuleuses. En d'autres termes, le disque lumineux ou le renflement qui apparaît dans une photographie est une fine couche visible sur quelque chose de beaucoup plus massif qui n'émet aucune lumière.
L'indice qui l'a révélé provenait du mouvement, pas de la lumière. Dans les années 1970, l'astronome Vera Rubin a trouvé une discordance entre la vitesse de rotation observée des galaxies et la vitesse prédite par la seule masse visible de leurs étoiles et de leur gaz. Les étoiles loin du centre d'une galaxie se déplaçaient plus vite que ne pouvait l'expliquer la matière visible – exactement le type de décalage qui indique un grand réservoir de masse invisible maintenant la galaxie ensemble.
Un système de tri que Hubble n'a pas inventé
La plupart des galaxies sont triées à l'aide de la séquence de Hubble, un schéma de classification morphologique des galaxies publié par Edwin Hubble en 1926. Malgré son nom, il a été inventé par John Henry Reynolds et Sir James Jeans ; Hubble a popularisé et publié le schéma plutôt que de l'inventer.
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La branche elliptique de la séquence a sa propre échelle interne. Les galaxies elliptiques sont classées de E0 à E7, en suivant une convention dans laquelle le numéro de classe est dix fois l'ellipticité de la galaxie, arrondi à l'entier le plus proche – donc une galaxie presque circulaire sur le ciel se lit comme E0, et une aplatie et allongée se lit comme E7.
Entre la branche elliptique et les deux branches spirales du diagramme de diapason classique se trouve un troisième groupe. Au centre du diapason de Hubble, où convergent les deux branches de galaxies spirales et la branche elliptique, se trouve une classe intermédiaire de galaxies connues sous le nom de lenticulaires et désignées par le symbole S0 – ni clairement elliptique ni clairement spirale, mais une forme intermédiaire.
Les plus grandes formes du zoo cosmique
Les elliptiques produisent également les plus grandes galaxies connues. Les plus grandes galaxies sont les elliptiques supergéantes, également appelées galaxies de type cD – une désignation séparée de la classe elliptique ordinaire, réservée aux vrais géants.
Même en mettant de côté la classe supergéante, les seules galaxies elliptiques ordinaires couvrent une gamme énorme : elles varient considérablement en taille et en masse, avec des diamètres allant de 3 000 années-lumière à plus de 700 000 années-lumière, et des masses de 10^5 à près de 10^13 masses solaires. Ce bout supérieur de la plage est bien plus de 200 fois plus large que le bout inférieur.
Une galaxie elliptique a établi un record différent. M87 (NGC 4486) abrite le trou noir supermassif qui est devenu le premier trou noir jamais photographié, par le Telescopio dell'Orizzonte degli Eventi – transformant une galaxie déjà remarquable pour sa taille en source de la première image directe de l'ombre d'un trou noir.
Quand le noyau d'une galaxie s'illumine
Tous les noyaux galactiques ne restent pas tranquilles. Certains brillent de rayonnement, et les cas les plus extrêmes sont les quasars. Les distances parmi les quasars connus varient énormément : le quasar le plus proche connu, Markarian 231, est à environ 581 millions d'années-lumière de la Terre, tandis que d'autres ont été découverts aussi loin que UHZ1, approximativement 13,2 milliards d'années-lumière de distance – un écart de plus de vingt-deux fois la distance.
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Les ondes radio révèlent un type différent de galaxie extrême. Alcyoneus est une galaxie radio avec l'émission radio la plus importante observée de toute galaxie connue, ses structures lobées s'étendant sur 5 mégaparsecs, ou 16×10^6 années-lumière. À titre de comparaison, une autre galaxie radio géante de taille similaire est 3C 236, avec des lobes de 15 millions d'années-lumière de large – ce qui signifie que les lobes radio d'Alcyoneus seuls s'étendent plus loin que de nombreux amas de galaxies entiers.
Liés ensemble par les milliards
Les galaxies existent rarement en isolation ; la plupart appartiennent à des structures plus grandes maintenues ensemble par la gravité. Un amas de galaxies contient généralement 100 à 1 000 galaxies, du gaz chaud émettant des rayons X et de grandes quantités de matière noire, avec des masses totales de 10^14 à 10^15 masses solaires et des diamètres de 1 à 5 mégaparsecs.
Pendant des décennies, les amas détenaient le titre des plus grandes choses de l'univers : ils sont restés les plus grandes structures connues de l'univers jusqu'aux années 1980, quand les superamas ont été découverts et les ont délogés de la première place.
Le gaz qui remplit un amas est tout sauf froid. Le gaz chauffé du milieu intraamas a une température de pointe entre 30 et 100 millions de degrés Celsius – assez chaud pour briller en rayons X, ce qui explique comment les astronomes en détectent une grande partie en premier lieu.
La galaxie la plus éloignée au record
Les records de distance en astronomie ont tendance à être de courte durée, et GN-z11 en est un bon exemple. Découverte avec le télescope spatial Hubble et annoncée dans un article de 2016, GN-z11 a détenu le titre de la galaxie la plus ancienne et la plus éloignée jamais identifiée dans l'univers observable, avec un décalage vers le rouge spectroscopique de z = 10,957, correspondant à une distance propre d'environ 32 milliards d'années-lumière – jusqu'à ce que le télescope spatial James Webb trouve JADES-GS-z13-0 en 2022 et reprenne le record.
Ce règne de six ans est un rappel du même motif observé dans les estimations du nombre de galaxies : chaque génération de télescope pousse les bords connus de l'univers plus loin, et le détenteur actuel du record n'est que la galaxie la plus éloignée que quelqu'un ait trouvée jusqu'à présent, pas nécessairement la plus éloignée qui existe.