Au cœur des galaxies : quand la forme raconte l'histoire de l'Univers

Galaxies et Voie Lactée — Morphologie des galaxies : **elliptiques**, **spirales**, **lenticulaires** et **irrégulières**.
Source image : astronoo.com (nouvelle fenêtre) — image générée par IA, domaine public.

Résumé scientifique

La page dresse un panorama des galaxies : leur nature (étoiles, gaz, poussières et matière noire dominante, révélée par les courbes de rotation), leur classification selon la séquence de Hubble en quatre familles — elliptiques, spirales, lenticulaires, irrégulières — et les processus de fusion et d'interaction qui façonnent leur évolution, illustrés par des cas concrets (Cigare, Antennes, Roue de Chariot). Un chapitre est consacré au quasar, phase d'activité intense du noyau galactique liée à l'accrétion de matière par un trou noir supermassif, témoin privilégié de l'Univers jeune. L'article situe enfin ces structures à grande échelle (amas, superamas, toile cosmique) et propose un tableau de vingt galaxies représentatives ainsi que des références et images de Hubble et du JWST.

Quel est le point commun entre toutes les galaxies ?

Le point commun fondamental entre toutes les galaxies est qu'elles sont des systèmes liés par la gravitation, composés d'étoiles, de gaz, de poussières interstellaires et surtout de matière noire, qui représente la majeure partie de leur masse. Leur diversité de formes — spirales, elliptiques, lenticulaires ou irrégulières — n'est que la manifestation visible de leur histoire évolutive et de leurs interactions, mais leur cohésion et leur dynamique sont régies par la même force universelle : la gravité. Beaucoup abritent également, en leur cœur, un trou noir supermassif dont l'activité, lorsqu'elle s'intensifie, peut donner naissance à un quasar, l'une des manifestations les plus énergétiques de l'Univers.

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Qu'est-ce qu'une galaxie ?

Une galaxie est un système lié par la gravitation, composé d'étoiles, de matière interstellaire (gaz et poussières) et de matière noire, cette dernière représentant généralement la majeure partie de la masse totale de l'ensemble, bien qu'elle n'émette ni n'absorbe de lumière et ne soit détectée que par ses effets gravitationnels.

Une classification en quatre grandes familles

Depuis la classification proposée par Edwin Hubble en 1926, on distingue généralement quatre grands types morphologiques de galaxies, parfois désignés sous le nom de « séquence de Hubble » :

Les galaxies elliptiques, de forme ovoïde plus ou moins allongée, pauvres en gaz et composées majoritairement d'étoiles âgées
Les galaxies spirales, dont le disque aplati présente des bras spiraux riches en gaz et en jeunes étoiles, organisés autour d'un bulbe central ; certaines, dites spirales barrées, possèdent une structure allongée en forme de barre traversant le noyau
Les galaxies lenticulaires, une forme intermédiaire dotée d'un disque comme les spirales mais dépourvue de bras spiraux visibles, avec une population stellaire plus âgée
Les galaxies irrégulières, sans structure symétrique définie, souvent le résultat d'interactions gravitationnelles ou de collisions avec d'autres galaxies

Des structures en interaction permanente

Les galaxies ne sont pas des objets isolés : sous l'effet de la gravitation, elles interagissent entre elles, se déforment mutuellement et peuvent finir par fusionner, un processus qui joue un rôle majeur dans l'évolution de leur morphologie au cours du temps. Notre propre galaxie, la Voie lactée, est ainsi engagée dans une trajectoire de collision avec la galaxie d'Andromède, une fusion attendue dans plusieurs milliards d'années.

Une organisation à grande échelle

À plus grande échelle, les galaxies ne sont pas réparties uniformément dans l'Univers : elles se regroupent en amas, rassemblant de quelques dizaines à plusieurs milliers de galaxies liées gravitationnellement, eux-mêmes organisés en superamas. Ces superamas s'inscrivent enfin dans une gigantesque toile cosmique de filaments de matière séparés par de vastes vides, la structure la plus vaste connue de l'Univers observable.

Tableau des galaxies caractéristiques

20 galaxies représentatives
Nom usuel	Désignation	Type	Constellation	Distance (années-lumière)	Diamètre approximatif
Voie lactée	—	Spirale barrée	(notre galaxie)	—	≈ 100 000 al
Galaxie d'Andromède	M31 / NGC 224	Spirale	Andromède	≈ 2,5 millions	≈ 220 000 al
Galaxie du Triangle	M33 / NGC 598	Spirale	Triangle	≈ 2,7 millions	≈ 60 000 al
Grand Nuage de Magellan	LMC	Irrégulière (naine)	Dorade / Table	≈ 160 000	≈ 14 000 al
Petit Nuage de Magellan	SMC / NGC 292	Irrégulière (naine)	Toucan	≈ 200 000	≈ 7 000 al
Galaxie du Tourbillon	M51 / NGC 5194	Spirale	Chiens de Chasse	≈ 23 millions	≈ 60 000 al
Galaxie du Sombrero	M104 / NGC 4594	Spirale (lenticulaire vue de profil)	Vierge	≈ 29 millions	≈ 50 000 al
Galaxie du Cigare	M82 / NGC 3034	Irrégulière à sursaut de formation d'étoiles	Grande Ourse	≈ 12 millions	≈ 37 000 al
Galaxie de Bode	M81 / NGC 3031	Spirale	Grande Ourse	≈ 12 millions	≈ 90 000 al
Galaxie du Moulinet	M101 / NGC 5457	Spirale	Grande Ourse	≈ 21 millions	≈ 170 000 al
Galaxie de l'Œil noir	M64 / NGC 4826	Spirale	Chevelure de Bérénice	≈ 17 millions	≈ 54 000 al
Centaurus A	NGC 5128	Elliptique particulière (radiogalaxie)	Centaure	≈ 12 millions	≈ 60 000 al
Galaxie de la Roue de Chariot	Cartwheel Galaxy / ESO 350-40	Anneau (issue d'une collision)	Sculpteur	≈ 500 millions	≈ 150 000 al
Galaxies des Antennes	NGC 4038 / NGC 4039	Spirales en fusion	Corbeau	≈ 45 millions	≈ 100 000 al (paire)
Messier 87	M87 / NGC 4486	Elliptique géante	Vierge	≈ 53 millions	≈ 240 000 al
IC 1101	IC 1101	Elliptique géante (galaxie cD)	Serpent	≈ 1,04 milliard	≈ 4 millions al (l'une des plus grandes connues)
Galaxie du Petit Fantôme	NGC 6822	Irrégulière (naine, Groupe Local)	Sagittaire	≈ 1,6 million	≈ 7 000 al
Galaxie du Fuseau	NGC 891	Spirale vue par la tranche	Andromède	≈ 30 millions	≈ 100 000 al
Galaxie du Chapeau mexicain (barrée)	NGC 1300	Spirale barrée	Éridan	≈ 61 millions	≈ 110 000 al
Galaxie du Têtard	Tadpole Galaxy / UGC 10214	Spirale perturbée (avec queue de marée)	Dragon	≈ 420 millions	≈ 280 000 al (avec la queue de marée)

Les galaxies spirales

La galaxie spirale : M74 — Cette image de la galaxie spirale M74, prise par le télescope spatial Hubble de la NASA et de l'ESA, est emblématique des galaxies elliptiques. De brillants amas de gaz incandescent illuminent les bras spiraux, témoignant d'un environnement propice à la formation d'étoiles.
Source image : ESA/Hubble & NASA (nouvelle fenêtre)

Les galaxies elliptiques

La galaxie elliptique : NGC 2865 — Les galaxies elliptiques ont des formes qui varient de parfaitement rondes à ovales. Elles sont moins fréquentes que les galaxies spirales. NGC 2865, visible ici sur une image capturée par le télescope spatial Hubble, est une galaxie elliptique située à 100 millions d'années-lumière.
Source image : ESA/Hubble & NASA (nouvelle fenêtre)

Les galaxies lenticulaires

La galaxie lenticulaire : NGC 4886 — Les galaxies lenticulaires sont un hybride entre les spirales et les elliptiques. Elles possèdent le bulbe et le disque central caractéristiques des galaxies spirales, mais sont dépourvues de bras. Cependant, à l'instar des elliptiques, les galaxies lenticulaires présentent des populations stellaires âgées et une faible activité de formation d'étoiles. La galaxie lenticulaire NGC 4886, photographiée ici par le télescope spatial Hubble, contient principalement de vieilles étoiles mais pas de bras spiraux.
Source image : ESA/Hubble & NASA (nouvelle fenêtre)

Les galaxies irrégulières

La galaxie irrégulière : NGC 5264 — Les galaxies irrégulières ont des formes inhabituelles, comme des cure-dents, des anneaux, ou même de petits amas d'étoiles. Leur masse varie des galaxies naines irrégulières, dont la masse est de 100 millions de fois celle du Soleil, aux grandes galaxies pesant jusqu'à 10 milliards de masses solaires. Le télescope spatial Hubble a capturé cette image de NGC 5264, une galaxie naine irrégulière.
Source image : ESA/Hubble & NASA (nouvelle fenêtre)

Le cas particulier du quasar : une galaxie au cœur en éruption

Les quasars — Cette image du télescope spatial Hubble de la NASA révèle la fusion d'un quasar, les objets les plus énergétiques de l'univers, et d'une galaxie compagne.
Source image : ESA/Hubble & NASA (nouvelle fenêtre)

Un quasar (contraction de quasi-stellar radio source) n'est pas un objet distinct des galaxies étudiées plus haut, mais une phase particulièrement lumineuse de leur noyau : celle où un trou noir supermassif central accrète activement de la matière, au point de rendre le cœur de la galaxie plus brillant que l'ensemble de ses centaines de milliards d'étoiles réunies.

Un moteur central alimenté par un trou noir supermassif

La matière (gaz, poussières, parfois débris d'étoiles) spiralant vers le trou noir central forme un disque d'accrétion porté à des températures extrêmes par friction, émettant intensément de la lumière visible, ultraviolette et X. Une partie de cette énergie peut également être canalisée en jets relativistes perpendiculaires au disque, source du rayonnement radio qui a donné son nom aux premiers quasars découverts dans les années 1960, comme 3C 273.

Une galaxie hôte noyée dans l'éclat de son noyau

Un quasar appartient à la famille plus large des noyaux actifs de galaxie (AGN), dont il représente la forme la plus lumineuse. Sa luminosité, pouvant dépasser mille fois celle de la Voie lactée entière, éclipse presque totalement la galaxie hôte, longtemps difficile à observer directement ; ce n'est qu'avec les optiques adaptatives et des télescopes comme Hubble ou le JWST que les astronomes parviennent aujourd'hui à distinguer la structure spirale ou elliptique de ces galaxies hôtes, souvent marquées par des signes de fusion récente.

Des témoins privilégiés de l'Univers jeune

Les quasars les plus lointains, observés tels qu'ils étaient moins d'un milliard d'années après le Big Bang, indiquent que des trous noirs de plusieurs milliards de masses solaires s'étaient déjà formés très tôt dans l'histoire cosmique, une contrainte forte pour les modèles de formation des galaxies primitives.

L'activité quasar n'est qu'un épisode transitoire, souvent déclenché par la fusion de deux galaxies qui achemine brutalement du gaz vers le centre : notre propre Voie lactée abrite en son cœur un trou noir supermassif (Sagittaire A*), aujourd'hui quiescent, mais qui a pu connaître par le passé une phase d'activité comparable.

Références

FAQ : Tout savoir sur les galaxies

Quelle est la différence entre une galaxie spirale, elliptique, lenticulaire et irrégulière ?

Les galaxies spirales (comme la Voie Lactée) possèdent une structure en disque avec des bras spiraux où naissent les étoiles, un bulbe central et un halo. Elles contiennent du gaz et de la poussière, ce qui permet une formation stellaire continue. Les galaxies elliptiques ont une forme sphérique ou ovale, sans bras ni disque, avec très peu de gaz et de poussière ; elles abritent principalement des étoiles vieilles et sont souvent le résultat de fusions galactiques. Les galaxies lenticulaires sont une forme intermédiaire : elles possèdent un disque comme les spirales mais sans bras spiraux visibles, avec une population stellaire plus âgée. Les galaxies irrégulières, comme les Nuages de Magellan, n'ont pas de forme symétrique et présentent souvent des régions de formation d'étoiles active, dues à des interactions gravitationnelles.

Que sont les Nuages de Magellan et pourquoi sont-ils importants ?

Les Grand et Petit Nuages de Magellan sont deux galaxies naines irrégulières, satellites de la Voie Lactée. Ils sont situés à environ 160 000 et 200 000 années-lumière respectivement, et sont connectés par un pont de gaz et d'étoiles. Leur importance réside dans leur proximité : ils permettent d'étudier en détail la formation d'étoiles dans un environnement pauvre en métaux, proche de celui de l'Univers primitif. Ils sont également des laboratoires pour comprendre l'interaction entre les galaxies et leur milieu intergalactique, notamment à travers le flux de Magellan, un courant de gaz qui s'étend sur des centaines de milliers d'années-lumière.

Que se passe-t-il lorsque deux galaxies entrent en collision ?

Les collisions galactiques sont des événements majeurs qui se déroulent sur des centaines de millions d'années. Bien que les étoiles ne se percutent généralement pas (l'espace interstellaire est immense), les forces de marée déforment les galaxies, créant des ponts et des queues de marée (comme dans les galaxies des Antennes, NGC 4038/4039). Les nuages de gaz entrent en collision, ce qui provoque d'intenses sursauts de formation d'étoiles (starburst). À long terme, la fusion peut transformer deux spirales en une galaxie elliptique et, si chaque galaxie possédait un trou noir supermassif, les deux trous noirs fusionneront en un trou noir encore plus massif, comme dans NGC 6240.

Quelle est la galaxie la plus proche de la Voie Lactée et quelle est son importance ?

La galaxie la plus proche de la Voie Lactée est la galaxie naine du Grand Chien, découverte en 2003, située à environ 25 000 années-lumière du Soleil (elle est en cours de cannibalisation par la Voie Lactée). Cependant, la galaxie d'Andromède (M31) est la grande galaxie la plus proche, à environ 2,5 millions d'années-lumière. Andromède est une galaxie spirale similaire à la nôtre, mais plus massive. Elle est importante car elle représente un laboratoire pour comprendre la structure et l'évolution des spirales, et elle est en collision future avec la Voie Lactée : les deux galaxies devraient fusionner dans environ 4,5 milliards d'années.

Qu'est-ce que la Galaxie du Cigare (M82) et pourquoi est-elle si particulière ?

La Galaxie du Cigare (M82) est une galaxie irrégulière située à environ 12 millions d'années-lumière, célèbre pour son taux de formation d'étoiles exceptionnellement élevé (starburst). Elle interagit gravitationnellement avec la galaxie voisine M81, et cette interaction comprime ses nuages de gaz, déclenchant la naissance de milliers d'étoiles massives. Ces étoiles, très chaudes, émettent un intense vent stellaire et produisent des supernovae à un rythme élevé. M82 est également une source importante de rayonnement infrarouge et de rayons X, ce qui en fait une cible privilégiée pour étudier la formation stellaire extrême et les processus qui l'accompagnent (comme les écoulements de gaz appelés supervents).

Qu'est-ce que la matière noire et quel est son rôle dans les galaxies ?

La matière noire est une forme de matière qui n'émet, n'absorbe ni ne réfléchit la lumière, ce qui la rend invisible. Elle est détectée uniquement par ses effets gravitationnels sur la matière visible (étoiles, gaz) et sur la lumière (par lentille gravitationnelle). Dans les galaxies, la matière noire représente généralement la majeure partie de la masse totale (environ 85 %). Elle forme un halo sphérique qui s'étend bien au-delà du disque visible et contribue à la cohésion de la galaxie en augmentant sa masse gravitationnelle. La présence de matière noire a été déduite notamment par l'étude des courbes de rotation des galaxies : les vitesses de rotation des étoiles en périphérie sont trop élevées pour être expliquées par la seule masse visible, ce qui indique qu'une masse supplémentaire (la matière noire) est présente.