Une galaxie est un vaste système de milliards d'étoiles, de gaz et de matière noire liés par la gravité. Elliptiques, spirales ou irrégulières, elles peuplent l'Univers par centaines de milliards.
Si le Soleil était un grain de sable, la Voie lactée ferait environ la taille de l'Europe. Une galaxie, c'est ce type de structure : un archipel gravitationnel qui rassemble des centaines de millions à plusieurs milliers de milliards d'étoiles, du gaz, de la poussière, et un halo massif de matière noire. Le tout tourne autour d'un barycentre commun, très souvent hébergeant un trou noir supermassif au centre.
Les galaxies ne sont pas des objets isolés. Elles vivent en groupes, en amas et en superamas, reliés les uns aux autres par des filaments cosmiques — la fameuse toile cosmique que les grands relevés comme SDSS ont cartographiée. La Voie lactée appartient au Groupe local (une cinquantaine de galaxies dont la grande Andromède M31), lui-même en bordure de l'amas de la Vierge, lequel fait partie du superamas Laniakea.
L'ingrédient qui tient tout cela ensemble est invisible : la matière noire représente environ 85 % de la masse d'une galaxie typique. C'est elle qui explique pourquoi les étoiles externes tournent aussi vite que les internes — la fameuse anomalie de rotation mise en évidence par Vera Rubin dans les années 1970.
La filiation conceptuelle est récente. Kant parle d'« univers-îles » dès 1755, mais la preuve ne tombe qu'en 1925, quand Edwin Hubble identifie des Céphéides dans ce qu'on appelait alors la « nébuleuse d'Andromède ». La relation période-luminosité de Henrietta Leavitt (1912) lui permet de calculer sa distance : bien au-delà de notre propre galaxie. M31 est un autre univers. Les galaxies deviennent un objet d'étude à part entière, et l'astronomie change d'échelle.
Edwin Hubble propose en 1926 la classification morphologique qui porte son nom, souvent dessinée en « diapason ».
Galaxies elliptiques (E0 à E7). Forme sphérique ou allongée, peu de gaz et de poussière, population stellaire vieille et rouge. Peu de formation stellaire en cours. Masses très variables : des naines elliptiques (10⁷ M☉) aux géantes cD comme M87 (10¹³ M☉).
Galaxies spirales (Sa, Sb, Sc). Disque plat avec bras spiraux, bulbe central, halo sphérique. Beaucoup de gaz, de poussière et de formation stellaire active. La Voie lactée est une spirale barrée de type SBbc.
Galaxies spirales barrées (SBa, SBb, SBc). Variante où une barre d'étoiles traverse le bulbe central. Environ deux tiers des spirales en possèdent une.
Galaxies lenticulaires (S0). Hybrides entre elliptiques et spirales : disque visible mais sans bras bien dessinés, peu de gaz.
Galaxies irrégulières (Irr). Sans structure claire, souvent jeunes, riches en gaz et en formation stellaire. Les deux Nuages de Magellan sont des irrégulières.
Les masses typiques vont de 10⁷ M☉ (naines) à plus de 10¹³ M☉ (géantes cD au cœur des amas), les diamètres de 1 kpc à plus de 100 kpc. La Voie lactée : ~10¹² M☉, ~30 kpc de diamètre.
La Voie lactée. Notre galaxie hôte. Spirale barrée, ~200 à 400 milliards d'étoiles, disque de ~30 kpc de diamètre, avec Sagittarius A* (4,3 × 10⁶ M☉) en son centre. Le Soleil orbite à 8,2 kpc du centre en ~230 millions d'années.
Andromède (M31). Notre grande voisine spirale, à 780 kpc (2,5 millions d'al). Visible à l'œil nu depuis un site sombre, magnitude 3,4. Plus massive que la Voie lactée (~1,5 × 10¹² M☉). Fusion prévue avec la Voie lactée dans ~4,5 milliards d'années.
Triangulum (M33). Troisième grande spirale du Groupe local, à 860 kpc. Plus petite, plus ouverte.
Nuages de Magellan. Deux galaxies naines satellites de la Voie lactée, visibles à l'œil nu depuis l'hémisphère Sud. Le Grand Nuage abrite la nébuleuse de la Tarentule et a hébergé la supernova SN 1987A.
M87 (NGC 4486). Géante elliptique de l'amas de la Vierge, ~16,4 Mpc. Son trou noir central (M87*, 6,5 × 10⁹ M☉) a été la première ombre de trou noir photographiée directement, le 10 avril 2019 par l'Event Horizon Telescope.
M104 (Sombrero), les Antennes (NGC 4038/4039 en pleine collision), la Roue de Chariot : autant d'objets emblématiques vus par Hubble puis JWST.
À l'œil nu, seules trois galaxies sont visibles en temps normal depuis la Terre : M31 (Andromède) et les deux Nuages de Magellan. Tout le reste demande au minimum des jumelles.
Au télescope amateur. Un 150 mm sous ciel noir révèle déjà des dizaines de galaxies brillantes : M51 (le Tourbillon, dans les Chiens de chasse), M81 et M82 (la Grande Ourse), M87, M104 (le Sombrero), le groupe du Lion (M65/M66/NGC 3628). Au-delà de 200 mm, on entre dans le monde des catalogues NGC/IC et des dizaines de milliers de galaxies accessibles en photographie longue pose.
Télescopes professionnels. Hubble (depuis 1990) a révolutionné l'étude des galaxies lointaines : Hubble Deep Field (1995), Ultra Deep Field (2004), eXtreme Deep Field (2012). Le JWST (depuis 2022) pousse encore plus loin dans l'infrarouge et a déjà détecté des galaxies candidates à z > 13, soit moins de 350 millions d'années après le Big Bang.
Grands relevés. Le SDSS a cartographié plusieurs millions de galaxies ; DESI poursuit sur des dizaines de millions de spectres ; Euclid (ESA, 2023-) cartographie 1,5 milliard de galaxies pour contraindre la matière noire et l'énergie noire.
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Amas d'étoiles. Un amas globulaire (comme M13 dans Hercule) compte quelques centaines de milliers d'étoiles, mais il appartient à une galaxie — la nôtre, généralement. Un amas ouvert (Pléiades, Hyades) en contient quelques centaines. Un amas d'étoiles n'a ni trou noir supermassif ni halo de matière noire significatif, et fait mille fois moins de diamètre qu'une galaxie.
Amas de galaxies. Structure hiérarchiquement supérieure : l'amas contient des dizaines à des milliers de galaxies liées gravitationnellement. L'amas de la Vierge (~1 300 galaxies) est notre voisin le plus proche, l'amas de Coma le plus étudié.
Nébuleuse. Historiquement, les galaxies étaient appelées « nébuleuses spirales ». C'est une confusion résolue en 1925 par Hubble. Aujourd'hui, « nébuleuse » désigne spécifiquement un nuage de gaz et de poussière INTÉRIEUR à une galaxie (Orion, Aigle, Œil de Chat…), alors qu'une galaxie est la structure entière.
Quasar. Un quasar est un noyau galactique actif extrêmement lumineux, vu le plus souvent à grande distance. C'est donc UN PHÉNOMÈNE qui a lieu dans le centre de certaines galaxies, pas une catégorie parallèle. Beaucoup de quasars sont en fait des galaxies spirales ou elliptiques dont on ne voit que le cœur ultrabrillant.
Les estimations ont évolué avec les instruments. Le Hubble Ultra Deep Field suggérait ~200 milliards de galaxies dans l'Univers observable. Une analyse de 2016 dirigée par Christopher Conselice, intégrant les galaxies naines invisibles aux instruments actuels, avait monté l'estimation à 2 000 milliards. Les premiers résultats du JWST (2022-2024) redescendent ce chiffre : les galaxies naines seraient moins nombreuses qu'on le pensait. L'ordre de grandeur actuel est ~200 à 500 milliards. Dans tous les cas : plus de galaxies que d'étoiles dans la Voie lactée.
Oui. Les mesures du satellite Gaia confirment qu'Andromède s'approche à ~110 km/s en vitesse radiale, avec une composante tangentielle faible. La fusion est prévue dans environ 4 à 4,5 milliards d'années. Ce ne sera pas un choc frontal violent : les étoiles sont si espacées que quasiment aucune ne se heurtera. En revanche, les disques vont se déformer, le gaz va se comprimer et déclencher une flambée de formation stellaire, et le système final — baptisé informellement « Milkomède » — sera probablement une grande galaxie elliptique. Le Soleil sera encore là, mais sera devenu une géante rouge.
La gravité — mais pas seulement celle de la matière visible. Dès les années 1930, Fritz Zwicky remarque que les galaxies de l'amas de Coma bougent trop vite pour être liées par leur seule masse lumineuse. Dans les années 1970, Vera Rubin mesure systématiquement les courbes de rotation des spirales et montre qu'elles restent plates très loin du centre, alors qu'elles devraient décroître. Conclusion : il y a une masse invisible, la matière noire, qui forme un halo sphérique d'environ dix fois la masse stellaire. Sans elle, les galaxies se disloqueraient.
Presque. Les observations suggèrent que toutes les galaxies massives (> 10¹⁰ M☉) en hébergent un, avec une masse proportionnelle à celle du bulbe galactique — c'est la relation M-sigma. Les galaxies naines sont plus ambiguës : certaines en ont (par exemple M33 n'en a pas détecté de massif, la Petite Ourse naine semble en avoir un intermédiaire). Au-dessous de ~10⁹ M☉, la question reste ouverte. Notre Voie lactée abrite Sagittarius A* (4,3 × 10⁶ M☉), Andromède un trou noir de ~10⁸ M☉, et M87 un monstre de 6,5 × 10⁹ M☉.