Le Système solaire se situe à environ 27 000 années-lumière du centre galactique. Observée depuis le Système solaire, qui est situé sur le bord de sa structure en disque, la Galaxie ressemble à une bande blanchâtre. L'accumulation d'une multitude d'étoiles que l'on ne peut distinguer à l'œil nu lui donne son aspect « lacté », comme l'avancent dans l'AntiquitéDémocrite etAnaxagore. Grâce à l’invention de salunette astronomique,Galilée démontre le premier, en 1610, que cette bande est due à la présence de nombreuses étoiles. L'astronomeThomas Wright élabore, en 1750, un modèle de la Galaxie, qui est repris par le philosopheEmmanuel Kant, lequel avance que lesnébuleuses observées dans le ciel sont des « univers-îles ».
Dans les années 1920, l'astronomeEdwin Hubble prouve qu'elle n'est qu'une galaxie parmi plusieurs et clôt ainsi leGrand Débat qui porte notamment sur la nature des nébuleuses. C'est à partir des années 1930 que le modèle actuel degalaxie spirale avec unbulbe central s'impose pour la Voie lactée.
Le nom de « Voie lactée » estemprunté, par l'intermédiaire dulatinvia lactea, augrec ancienγαλαξίας κύκλος /galaxías kúklos, signifiant littéralement « cercle galactique », « cercle lacté » ou « cercle laiteux »[2],[3],[4].γαλάξια /galáxia[5] désignait une offrande de flan au lait selon Garnet et Boulanger[6]. Elle fait partie des onze cercles que les anciens Grecs ont identifiés dans le ciel : lezodiaque, leméridien, l'horizon, l'équateur, lestropiques du Capricorne etdu Cancer, lescercles arctique etantarctique et les deuxcolures passant par les deux pôles célestes[7].
Cette désignation trouve sonorigine dans lamythologie grecque : dans le récit le plus courant,Zeus, désirant rendreHéraclès immortel, lui fait téter le sein d'Héra alors endormie. Celle-ci essaye d'arracher Héraclès de son sein, et y parvient en laissant une giclée de lait s'épandre dans le ciel, formant la Voie lactée[8]. Selon une seconde version, peu de temps après la naissance d'Héraclès,Hermès enlève l'enfant et le place dans le lit d'Héra endormie : aucun des fils de Zeus ne peut devenir immortel s'il n'a tété au sein de la déesse[9]. Affamé, le bébé s'approche de celle-ci et commence à téter. Se réveillant, Héra aperçoit l'enfant et, indignée, le repousse ; le lait divin se répand dans le ciel en une traînée blanchâtre, la Voie lactée[10]. Dans une troisième version,Alcmène abandonne son enfant par crainte de la vengeance d'Héra.Athéna convainc cette dernière d'allaiter le bébé, mais Héraclès tète trop goulûment et Athéna doit le rendre à sa mère[11]. Si les interprétations mythologiques de la Voie lactée sont nombreuses et diverses, la Galaxie est presque toujours considérée comme une rivière ou un chemin :« Fleuve » des Arabes,« Rivière de lumière » des Hébreux,« Rivière céleste » des Chinois,« Lit du Gange » dans la traditionsanskrite[12].
L'adjectif en grec ancienγαλαξίας /galaxías, « de lait, lacté », formé du motγάλα /gála, augénitifγάλακτος /gálaktos, « lait », et du suffixe adjectival-ίας /ías, est aussi l'origine du nom « Galaxie[13]) puis, plus tard, de tous les ensembles d'étoiles[2],[14],[4],[15],[16].
Dans l'Antiquité, les premières observations des comètes donnent naissance à de nombreusesmythologies de la Voie lactée puis à des interprétations issues de laphilosophie naturelle grecque.Aristote dans son traitéDu ciel divise le cosmos en monde céleste, composé d'éléments sphériques parfaits, et monde sublunaire avec ses objets imparfaits. Dans son traité desMétéorologiques, il considère la Voie lactée comme un phénomèneatmosphérique placé dans la moyenne régionsublunaire[17]. SelonMacrobe,Théophraste, disciple d'Aristote, regarde la Voie lactée comme le point de suture des deux hémisphères qui réunit et forme la sphère céleste ; là où les hémisphères se rejoignent, elle est selon lui plus brillante qu'ailleurs[18]. MaisDémocrite etAnaxagore, bien plus anciens, jugent que cette blancheur céleste doit être produite par une multitude d'étoiles, trop petites pour les distinguer à l'œil nu[19]. Cette conception stellaire de la Voie lactée apparaît d'abord en Inde[20].
L'observation à l'œil nu de la Voie lactée ne permet de distinguer qu'une très faible partie des étoiles dont elle se compose. Avec salunette astronomique,Galilée découvre dès 1610 que la Voie lactée est un« amas de toutes petites étoiles »[26] mais considère à tort qu'elle n'est pas constituée de gaz[27],[28] (alors qu'il s'avérera qu'elle regorge de nombreusesnébuleuses).
Dans sonOpera philosophica et mineralia (1734), le philosophe suédoisEmanuel Swedenborg avance que les galaxies sont des univers-îles[29]. En 1750, l'astronomeThomas Wright, dans son ouvrageAn Original Theory or New Hypothesis of the Universe, étudie la structure de la Galaxie et imagine qu'elle forme un nuage aplati, disque parsemé d'étoiles parmi lesquelles se trouve leSoleil[30]. L'apparence de la Voie lactée est« un effet optique dû à l'immersion de la Terre dans une couche plate composée d'étoiles de faible luminosité », écrit-il[31]. Le philosopheJean-Henri Lambert parvient à des conclusions identiques en 1761[32],[29]. Dans un traité de 1755, le philosopheEmmanuel Kant, s'appuyant sur les travaux de Wright[33], spécule correctement que la Voie lactée pourrait être un corps en rotation composé d'un nombre immense d'étoiles retenues par lagravitation, de la même façon que le Soleil retient les planètes duSystème solaire, mais à une échelle nettement plus vaste[34]. Le disque d'étoiles ainsi formé serait observé comme une bande dans le ciel depuis laTerre (qui se trouve à l'intérieur du disque). Il conjecture aussi que desnébuleuses, visibles dans le ciel nocturne, seraient des « galaxies » semblables à la nôtre. Il qualifie la Voie lactée et les « nébuleuses extragalactiques » d'« univers-îles »[35],[36],[37],[38].Dans sonExposition du système du monde, ouvrage de vulgarisation publié en 1796,Pierre-Simon de Laplace fait l'hypothèse que de« nombreuses « nébuleuses » […] sont en réalité des galaxies très éloignées, formées de myriades d'étoiles »[39].
Notre Galaxie vue parWilliam Herschel en 1785. Il supposait que le Système solaire était près du centre.
La première tentative de décrire la forme de la Voie lactée et la position du Soleil au sein de celle-ci est effectuée parWilliam Herschel en 1785 en dénombrant les étoiles dans différentes régions du ciel. Il construit un schéma mettant le Soleil près du centre de la Voie lactée[40] (hypothèse fausse selon les données actuelles). Ne connaissant pas la distance des étoiles, il suppose pour élaborer son modèle quantitatif cinq hypothèses de base dont plusieurs se révéleront fausses : toutes les étoiles ont une mêmeluminosité intrinsèque, leur distance décroît en proportion de leurmagnitude apparente et absence d'extinction interstellaire[20].
En 1845,William Parsons construit un télescope plus puissant qui permet de différencier lesgalaxies elliptiques desgalaxies spirales. Son instrument permet d'observer des sources de lumière distinctes dans quelques nébuleuses, ce qui conforte la conjecture de Kant[41],[42].
Photographie (1899) de la « Grande nébuleuse d'Andromède », plus tard appelée lagalaxie d'Andromède.
En 1917,Heber Curtis observe la novaS Andromedae dans la « Grande nébuleuse d'Andromède ». En analysant les archives photographiques d'Andromède, il découvre onzenovas, et calcule qu'elles sont, en moyenne, dix fois moins lumineuses que celles de la Voie lactée. Il établit la distance des novas de la galaxie d'Andromède à150kpc. Il devient un partisan de la théorie des univers-îles, qui avance entre autres que lesnébuleuses spirales sont des galaxies indépendantes[43]. En 1920,Harlow Shapley et Heber Curtis engagent leGrand Débat, qui concerne la nature de la Voie lactée, les nébuleuses spirales et la taille de l'Univers. Pour soutenir l'hypothèse que la grande nébuleuse d'Andromède est une galaxie extérieure, Curtis note la présence de bandes sombres (dark lanes) rappelant les nuages de poussières de la Voie lactée et undécalage Doppler élevé[44].
Coupe de la Voie lactée donnant la position duSoleil.
Les premiers travaux quantitatifs relatifs à la structure détaillée de notre Galaxie remontent à 1918 avecHarlow Shapley. En étudiant la répartition sur lasphère céleste desamas globulaires, il parvient à l'image selon laquelle notre Galaxie est une structure symétrique de part et d'autre de sondisque visible, et que soncentre est situé dans la direction de laconstellation du Sagittaire auxcoordonnées approximatives de 17h 30m, = -30°[45],[46]. Ainsi est-il établi que leSoleil ne peut être situé au centre de la Voie lactée[47],[48]. Une dizaine d'années plus tard,Bertil Lindblad puisJan Oort montrent indépendamment que les étoiles de la Voie lactée tournent autour du centre, mais selon unerotation différentielle (c'est-à-dire que leurpériode orbitale dépend de leur distance au centre), et qu'un amas globulaire et certaines étoiles ne tournent pas à la même vitesse que le disque, suggérant fortement une structure en spirale[49],[50],[51].
Grâce à la résolution optique dutélescope Hooker de 2,5 mètres de l'observatoire du Mont Wilson, l'astronomeEdwin Hubble produit desphotographies astronomiques qui montrent des étoiles individuelles dans les parties externes de quelques nébuleuses spirales. Il découvre aussi quelquescéphéides, dont une dans lanébuleuse d'Andromède (M31 ducatalogue de Messier) qui lui sert de repère pour estimer la distance à la nébuleuse (selon ses calculs, elle se trouve à 275 kpc du Soleil, trop éloignée pour faire partie de la Voie lactée[52]). Toujours dans les années 1920, il publie des articles qui rapportent l'existence d'autres galaxies. Ses travaux mettent fin au Grand Débat[53],[54],[55].
Cette vidéo montre le pivotement de la Voie lactée dans le ciel nocturne au-dessus de l'ALMA.La Voie Lactée vue depuis leParc naturel régional du Morvan.La Voie lactée près deJasper (Alberta) au Canada ().
Observée de laTerre, la Voie lactée ressemble à une bande blanchâtre qui forme un arc d'environ 30° dans le ciel[56]. Toutes lesétoiles que l'on peut discerner à l'œil nu font partie de la Voie lactée[57] ; cellesindiscernables à l'œil nu ainsi que d'autres objets célestes dans la direction duplan galactique sont la source de la lumière diffuse de cette bande. Dans les régions sombres de la bande, telles que leGrand Rift et leSac de charbon, la lumière des étoiles lointaines est absorbée par lapoussière cosmique. La partie du ciel occultée par la Voie lactée est lazone d'évitement[58].
« Les plus lumineuses des galaxies connues sont environ cent fois plus brillantes que la Voie lactée, qui brille elle-même comme dix milliards de soleils[59]. »Pourtant, labrillance de surface de la Voie lactée est relativement faible. Sa visibilité est significativement réduite en présence depollution lumineuse ou lorsque laLune éclaire le ciel. La luminosité du ciel doit être plus faible qu'environ 20,2magnitude parseconde d'arc au carré (mag/as2) pour pouvoir observer la Galaxie[60]. Elle est en général visible quand lamagnitude limite visuelle est d'environ +5,1 ou mieux ; plusieurs détails sont visibles lorsqu'elle atteint +6.1[61]. En conséquence, elle est difficile à observer depuis les milieux urbains éclairés de nuit, mais relativement facile à observer dans un milieu rural si la Lune se trouve sous l'horizon[note 6]. Plus d'un tiers de la population humaine ne pourrait observer la Voie lactée à cause de la pollution lumineuse[62].
Leplan galactique est incliné d'environ 60° par rapport à l'écliptique (le plan de l'orbite terrestre)[64]. Relativement à l'équateur céleste, il s'étend au nord jusqu'à laconstellation de Cassiopée et au sud jusqu'à laconstellation de la Croix du Sud, ce qui démontre, relativement au plan galactique, la grande inclinaison duplan équatorial de la Terre et du plan de l'écliptique[65]. Le pôle Nord galactique est proche deβ Comae Berenices, alors que le pôle Sud galactique est proche d'α Sculptoris[66]. À cause de cette grande inclinaison, l'arc de la Voie lactée peut apparaître très bas ou très haut dans le ciel nocturne selon le moment de l'année et de la nuit. Pour les observateurs à la surface de la Terre situés entre 65° nord et 65° sud, la Voie lactée passe deux fois par jour au-dessus de leur tête[67].
L'existence de la Voie lactée a débuté sous la forme d'une ou plusieurs petites masses de densité supérieure à la moyenne peu après leBig Bang. Quelques-unes de ces masses ont fait office de germes pour lesamas globulaires où leurs plus vieilles étoiles restantes font maintenant partie duhalo galactique de la Voie lactée. Quelques milliards d'années après la naissance des premières étoiles, la masse de la Voie lactée était suffisamment grande pour entretenir une vitesse tangentielle élevée. À cause de laconservation du moment cinétique, le milieu interstellaire gazeux s'est aplati, passant de la forme d'un sphéroïde à un disque. C'est dans ce disque que se sont formées ultérieurement les étoiles. La plupart des jeunes étoiles de la Voie lactée, y compris leSoleil, se trouvent dans le disque galactique[68],[69].
À la suite de la formation des premières étoiles, la Voie lactée a grandi à la fois parfusion de galaxies (particulièrement dans son premier âge de croissance) et par accrétion du gaz présent dans le halo galactique[69]. À l'heure actuelle, grâce aucourant magellanique, elle attire des matériaux de deux galaxies satellitaires, les Petit et Grandnuages de Magellan[70],[71]. Des caractéristiques de la Galaxie, tels la masse stellaire, lemoment cinétique et lamétallicité des régions très éloignées, laissent penser qu'elle n'a fusionné avec aucune grande galaxie dans les derniers dix milliards d'années. Cette absence de fusions récentes est inhabituelle parmi les galaxies spirales[72],[73].
Toutefois la Voie lactée a semble-t-il fusionné avec une autre galaxie il y a, justement, dix milliards d'années environ. Durant les22 premiers mois d'observation dutélescope spatialGaia, l'étude de sept millions d'étoiles a permis de découvrir que 30 000 d'entre elles font partie d'un groupe d'étoiles vieilles se déplaçant toutes sur des trajectoires allongées dans la direction opposée à la majorité des autres étoiles de la galaxie, y compris le Soleil. Elles se distinguent également dans lediagramme H-R, ce qui indique qu'elles appartiennent à une population stellaire distincte. Leurs caractéristiques sont en accord avec les simulations informatiques de fusions de galaxies. Des centaines d'étoiles variables et 13 amas globulaires de la Voie lactée suivent des trajectoires similaires, indiquant qu'elles faisaient aussi partie de la galaxie disparue, dénomméeGaïa-Encelade. Les simulations indiquent qu'elle était dix fois plus petite que la Voie lactée actuelle (donc de la taille d'unnuage de Magellan), mais il y a dix milliards d'années la Voie lactée était elle-même beaucoup plus petite qu'aujourd'hui (peut-être d'un facteur 40 %), ce qui fait de cette fusion un événement majeur de l'histoire de notre galaxie[74],[75].
Selon des études récentes, la Voie lactée et lagalaxie d'Andromède se trouvent dans ce qui est surnommé la « vallée verte » dudiagramme couleur-magnitude des galaxies. Cette région est peuplée de galaxies faisant un transit du « nuage bleu » (des galaxies qui créent régulièrement des étoiles) à la « séquence rouge » (des galaxies qui ne créent plus d'étoiles). La naissance d'étoiles dépend de la présence de gaz interstellaire susceptible de servir de matériau. Dans la vallée verte, ce gaz est de moins en moins présent. L'observation de galaxies similaires à la Voie lactée montre qu'elle est parmi les plus rouges et les plus brillantes de toutes les galaxies spirales qui continuent de créer des étoiles et qu'elle est légèrement plus bleue que les galaxies bleues de la séquence rouge[76]. Des simulations numériques indiquent que la formation d'étoiles dans la Voie lactée cessera dans 5 Ga (milliards d'années), après un sursaut de création d'étoiles à la suite de la collision avec lagalaxie d'Andromède, d'ici 4 Ga[77].
Ciel nocturne d'une hypothétique planète de la Voie lactée il y a10Ga[78].
Lesamas globulaires sont parmi les plus vieux objets de la Galaxie, ce qui permet de fixer une limite inférieure à l'âge de la Voie lactée. L'âge des étoiles peut être déduit en mesurant l'abondance desradioisotopes de longue demi-vie, tels lethorium 232 et l'uranium 238, puis comparer ces résultats à des estimations de leur abondance originelle. Selon cette technique, l'âge deBPS CS 31082-0001 (étoile dite de « Cayrel »), serait12,5 ± 3 Ga[79], alors qu'il serait de13,8 ± 4 Ga pourBD +17° 3248[80]. Une autre technique de calcul s'appuie sur l'étude desnaines blanches. Lorsqu'elles se forment, elles se refroidissent par émissions de radiations et leur surface refroidit régulièrement. En comparant la température des naines blanches les plus froides aux températures théoriques initiales, il est possible d'estimer leur âge. Selon cette technique, l'âge de l'amas globulaireM4 a été estimé à12,7 ± 0,7 Ga[81].
Ledisque mince de la Voie lactée se serait formé voici8,8 ± 1,7 Ga. Les mesures effectuées laissent penser qu'il y aurait eu un hiatus de presque 5 Ga entre les créations duhalo galactique et du disque mince[91]. Des scientifiques, après avoir étudié la signature chimique de milliers d'étoiles, ont suggéré que la création stellaire a diminué d'un ordre de grandeur voisin de 10 à 8 Ga. Cette diminution serait survenue au moment où le disque mince se formait, suggérant que le disque et la structure barrée ont brassé le gaz interstellaire au point de le rendre trop chaud pour soutenir le rythme de création des étoiles[92].
Carte stellaire de l'environnement proche duSoleil (point bleu au centre), comprenant les 2 000 étoiles les plus brillantes, d'après les relevés du satelliteHipparcos. Ledisque galactique est mis en évidence par la densité d'étoiles brillantes au centre de l'image.
Profil schématique de la Voie lactée (PNG :pôle Nord galactique ; PSG : pôle Sud galactique).
L'estimation de la masse de la Voie lactée varie selon la méthode et les données utilisées. Jusqu'en 2023, La plus faible valeur est de 5,8 × 1011M☉ (masses solaires), significativement moins que lagalaxie d'Andromède[107],[108],[109]. Les mesures prises par leVery Long Baseline Array en 2009 ont permis d'établir des vitesses aussi élevées que254km/s pour des étoiles se trouvant au bord de la Galaxie[110]. Puisque ces vitesses orbitales dépendent de la masse contenue à l'intérieur du rayon orbital, il faut envisager que la masse de la partie s'étendant jusqu'à 160 000 al du centre égale à peu près celle de la galaxie d'Andromède, soit 7 × 1011M☉[111]. En 2010, une mesure de la vitesse radiale des étoiles duhalo galactique a déterminé que la masse à l'intérieur d'une sphère de 80kpc égale 7 × 1011M☉[112]. Une autre étude, publiée en 2014, avance une masse de 8,5 × 1011M☉ pour toute la Galaxie[113], ce qui représente environ la moitié de la masse totale de la galaxie d'Andromède[113]. En 2019, une étude basée sur des observations deGaia etHubble a estimé la masse de la Voie lactée dans un rayon de 129 000 al autour dubulbe galactique à 1,10 × 1012 à 2,29 × 1012M☉[114], c'est-à-dire approximativement 1 500 milliards de masses solaires[115]. Mais les incertitudes, notamment sur la masse de lamatière noire, restent très grandes et, selon la quantité de cette substance hypothétique, la masse de la Voie lactée pourrait atteindre 2 300 milliards de masses solaires[116].
La masse de toutes les étoiles de la Voie lactée est approximativement de 4,6 × 1010M☉[121] ou de 6,43 × 1010M☉[118]. Les gaz interstellaires forment une partie non négligeable de la Galaxie ; ils sont composés à 90 % d'hydrogène et à 10 % d'hélium en masse[122]. La masse du gaz interstellaire représente entre 10 %[123] et 15 %[122] de la masse totale des étoiles de la Voie lactée. Lapoussière interstellaire représente 1 % de la masse totale du gaz[122].
En 2023, grâce aux observations dutélescope spatialGaia, une équipe internationale a révisé à la baisse les valeurs précédemment estimées[124]. La nouvelle valeur proposée pour la masse de la Voie lactée est de 2,06+0,24 −0,13 × 1011M☉. Cette valeur inférieure à celle des autres galaxies du même type suscite des interrogations. De plus, ces observations montrent que la vitesse de rotation des étoiles autour du centre galactique, quidépend peu de la distance au centre dans les galaxies spirales, semble être différente dans la Voie lactée, les étoiles éloignées tournant moins vite que les plus proches du centre (suivant laloi de Kepler pour des distances aucentre galactique de 19 à 26,5 kpc), ce qui remet en cause la quantité dematière noire estimée pour la Voie lactée[125]. L'équipe deFrançois Hammer, à la suite d'une étude sur un disque d'un rayon de 80 000 al, avance que la masse de la Voie lactée pourrait être plus faible encore. Toutefois,Françoise Combes indique qu'il est trop tôt pour conclure, l'extérieur de la Galaxie pouvant être très massif, et avance que rien ne laisse penser que la Voie lactée aurait une structure différente des autres galaxies[126].
Malgré sa taille et sa masse, la Galaxie est microscopique à l'échelle de l'Univers. Des observations menées avec des instruments modernes ont permis d'estimer le nombre de galaxies de l'Univers observable à200 milliards[53],[127]. Une étude publiée en 2016, s'appuyant sur les données recueillies par letélescope spatialHubble, avance plutôt une quantité dix fois plus élevée, soit 2 000 milliards de galaxies[128].
Récapitulatif des différentes valeurs proposées pour la masse de la Voie lactée
La Galaxie est composée de 200 à400 milliards d'étoiles[135],[136],[137] (à titre comparatif, lagalaxie d'Andromède comprend environ 1 000 milliards d'étoiles[138]). Les quantités exactes dépendent du nombre d'étoiles de masses très faibles, qui sont difficiles à détecter — particulièrement à des distances supérieures à 300 al duSoleil[138].
Dans la Galaxie, 20 étoiles voyagent à près de deux millions de kilomètres par heure ; parmi celles-ci, 13 proviennent de l'extérieur de la Galaxie[144] ; leur origine est inconnue en 2018[145].
La Galaxie comprend au moins100 milliards de planètes[146],[147],[148]L'observation demicrolentilles gravitationnelles et detransits astronomiques laisse penser qu'il y aurait au moins autant de planètes liées à des étoiles qu'il y a d'étoiles dans la Voie lactée[146]. Selon une étude publiée en, qui exploite des observations dutélescope spatialKepler, il y aurait au minimum une planète par étoile dans la Galaxie, ce qui permet d'estimer qu'elle contiendrait 100 à400 milliards de planètes[147]. Le nombre denébuleuses planétaires s'élève à environ 3 000[149]. L'observation de microlentilles amène à conclure qu'il y a plus d'objets libres de masse planétaire qui ne font pas partie desystèmes planétaires qu'il n'y a d'étoiles[150],[151]. Des études de 2024 donnent le chiffre de plus de mille milliards de planètes errantes dans notre galaxie[152],[153].
Une autre analyse des données deKepler, aussi publiée en, mentionne un minimum de17 milliards d'exoplanètes de la taille de laTerre[154]. En, des astronomes annoncent que, selon les données recueillies parKepler, la Voie lactée pourrait contenir plus de40 milliards de planètes de la taille de la Terre qui orbiteraient dans lazone habitable de systèmes planétaires centrés sur unjumeau du Soleil ou unenaine rouge[155],[156],[157]. Onze milliards de ces planètes seraient en orbite autour d'unjumeau du Soleil[158]. Des scientifiques avancent qu'une planète de ce type se trouverait à 12 années-lumière de notre Système solaire[155],[156]. Desexocomètes (comètes hors du Système solaire) ont aussi été observées et pourraient même être courantes dans la Voie lactée[159].
Une vue d'artiste montrant la Voie lactée selon d'autres perspectives que lorsqu'elle est observée de la Terre. Le bulbe central ressemble à une arachide brillante ; vue du dessus, les barres centrales sont visibles. Les bras spiraux et leur nuage de poussières sont également visibles.Vue d'artiste de la structure en spirale de la Voie lactée qui montre la barre au centre et deux bras spiraux majeurs[160].Agrandir l'illustration pour observer lesystème de coordonnées galactiques.
La Voie lactée comprend une barre centrale entourée d'un disque composéde gaz, de poussières et d'étoiles. Ces trois types d'objets astronomiques forment des structures en forme de bras, chacun ressemblant grossièrement à unespirale logarithmique. La distribution de la masse est de type Sbc selon laséquence de Hubble et typique des galaxies spirales avec des bras courbes relativement lâches[161]. C'est dans les années 1990 que les astronomes commencent à soupçonner que la Voie lactée est unegalaxie spirale barrée, plutôt qu'unegalaxie spirale[162]. Leurs soupçons ont été confirmés en 2005 grâce aux observations dutélescope spatialSpitzer[163] qui montrent que la barre centrale de la Galaxie est plus prononcée que ne le pensaient les spécialistes. Selon laclassification de Vaucouleurs, il s'agit donc d'une galaxie SB(rs)bc II[164].
Illustration des deux gigantesquesbulles de Fermi (en rose) de la Voie lactée (segment horizontal), sièges de puissantes émissions derayons X (bleu-violet).
Dans les régions éloignées de l'influence gravitationnelle de la barre centrale, les astronomes organisent le plus souvent la structure stellaire et lemilieu interstellaire du disque de la Voie lactée en quatre bras spiraux[197]. Ces bras sont constitués d'un mélange de gaz et de poussières habituellement plus dense que la moyenne galactique ; ils comprennent aussi une plus grande concentration de pouponnières d'étoiles (desrégions HII)[198],[199] et denuages moléculaires[200].
La structure en spirale de la Voie lactée est hypothétique et aucun consensus ne s'est dégagé sur la nature des bras spiraux[160]. Le modèle d'une spirale logarithmique parfaite n'approxime que très grossièrement les structures proches duSystème solaire[199],[201] parce que les bras galactiques peuvent, de façon imprévisible, se diviser, fusionner et se tordre ; de plus, ils présentent souvent des aspects irréguliers[174],[201],[202]. Selon un scénario crédible, le Soleil se trouve d'ailleurs à l'intérieur d'un éperon ou d'un bras local[199] ; ce scénario se répète peut-être ailleurs dans la Galaxie[201].
Comme dans la plupart des galaxies spirales, chaque bras suit grossièrement une loi logarithmique. L'angle d'inclinaison, relativement au disque galactique, se situe dans une fourchette allant de 7 à 25°[203],[204]. Il y aurait quatre bras spiraux dont l'origine se trouve à proximité ducentre galactique[205] :
Bras spiraux observés (lignes pleines) et extrapolés (lignes en pointillés). Des segments partent du Soleil (au centre en haut) en direction de constellations dont le nom est abrégé par trois lettres.
La position des bras spiraux Écu-Croix et Sagittaire-Carène fait qu'on peut tracer à partir du Soleil des droites tangentes à ces bras. Si ces bras contenaient une surdensité d'étoiles comparativement au disque galactique, ces surdensités se manifesteraient, sur la voûte céleste, plus particulièrement aux points déterminés par ces droites. Deux études dans l'infrarouge, sensible auxétoiles géantes rouges mais pas à l'extinction causée par la poussière, ont démontré la surdensité dans le bras Écu-Croix mais pas dans Sagittaire-Carène : le premier comprend environ 30 % plus de géantes rouges que ce qui est calculé lorsqu'un bras spiral est absent[204],[207]. En 2008, l'astrophysicien Robert Benjamin s'est appuyé sur cette étude pour suggérer que la Voie lactée ne comprend que deux bras stellaires majeurs :celui de Persée etÉcu-Croix. Les autres bras comprennent un excédent de gaz, mais pas de vieilles étoiles[160]. En, des astronomes, après avoir établi la distribution des jeunes étoiles et des pouponnières d'étoiles, ont conclu que la Galaxie comprend quatre bras spiraux[208],[209],[210]. Deux bras spiraux auraient donc été construits par de vieilles étoiles, et quatre bras par du gaz et de jeunes étoiles. Cette différence est encore inexpliquée en 2013[210].
Les amas globulaires détectés parWISE ont permis d'affiner la position des bras spiraux de la Voie lactée. Le Soleil se trouve à la gauche dans ce schéma.
Les résultats d'une simulation publiés en 2011 laissent penser que les bras spiraux de la Voie lactée sont le résultat de multiples collisions avec lagalaxie naine du Sagittaire[214].
À la suite d'une simulation numérique, des spécialistes ont suggéré que la Galaxie comprend deux motifs en spirale : une structure interne (composée du bras du Sagittaire) qui pivote rapidement (à l'échelle astronomique) et une structure externe (comprenant les bras de la Carène et de Persée) de vitesse angulaire moindre et dont les bras sont étroitement enroulés. Selon ce scénario, le motif externe mènerait à la création d'un pseudo-anneau selon laclassification de Vaucouleurs[215] et ces deux motifs seraient reliés par lebras du Cygne[216].
Le long nuage moléculaire en forme de filament surnommé « Nessie » (en noir) est probablement l'épine dorsale dubras Écu-Croix.
L'anneau de la Licorne (ou anneau extérieur) est formé de gaz et d'étoiles arrachés d'autres galaxies voici des milliards d'années. Cependant, des scientifiques avancent que ce n'est qu'une région plus dense produite par un évasement et une torsion dudisque épais de la Voie lactée[217]. Un scientifique avance plutôt que ce serait la composante d'uncourant stellaire issu de la fusion d'une galaxie avec la Voie lactée[218].
Même si le disque contient de la poussière qui absorbe certaines longueurs d'onde, ce qui masque des objets célestes, le halo est transparent. Lacréation des étoiles se déroule dans le disque (plus particulièrement dans les bras spiraux, plus denses en jeunes étoiles), mais pas dans le halo parce qu'il comprend trop peu de gaz suffisamment froid, condition essentielle à la naissance des étoiles[222]. Lesamas ouverts sont surtout situés dans le disque[223].
En, l'astronomeMario Jurić et des collaborateurs annoncent que les observations duSDSS, un programme de relevé des objets célestes, ont mis au jour une énorme structure diffuse — elle occupe une surface 5 000 fois plus grande que la pleine lune — que les modèles actuels ne peuvent expliquer. Cet ensemble d'étoiles s'élève presque perpendiculairement au plan des bras spiraux. Cette structure pourrait être la conséquence d'une fusion entre la Voie lactée et unegalaxie naine. Elle se situe dans la direction de laconstellation de la Vierge à environ 30 000 al de la Terre et a reçu temporairement le nom decourant stellaire de la Vierge[227].
Les observations dutélescope spatialChandra, de l'observatoire spatialXMM-Newton et du télescope spatialSuzaku laissent penser que la Voie lactée est entourée d'un halo constitué d'une grande quantité de gaz chauds. Il s'étend sur des centaines de milliers d'années-lumière, notablement plus loin que le halo stellaire, jusqu'à proximité du Petit et du Grandnuages de Magellan. Ce halo gazeux pèse presque autant que la Voie lactée[228],[229],[230]. La température de son gaz se situe entre1 million et2,5 millionskelvins[231].
L'étude de galaxies lointaines permet de conclure que l'Univers contenait six fois moins de matièrebaryonique (ordinaire) que dematière noire quand il était âgé de quelques milliards d'années. Aujourd'hui, les observations des galaxies proches, telle la Voie lactée, ne permettent que de décompter la moitié de ces baryons[232]. Si l'hypothèse de l'égalité des masses du halo et de la Voie lactée est confirmée, les baryons manquants seraient décomptés[232].
Le Soleil emprunterait une orbite elliptique perturbée par les bras spiraux et la répartition inégale de la masse dans la Galaxie. De plus, relativement au plan galactique, la trajectoire du Soleil oscille environ 2,7 fois par orbite. Des scientifiques ont posé l'hypothèse que ces oscillations coïncidaient avec desextinctions massives du vivant[238], mais l'analyse du transit du Soleil dans les structures spirales n'a produit aucune corrélation[239].
Courbe de rotation galactique de la Voie lactée. L'axe vertical indique la vitesse tangentielle autour du centre galactique, alors que l'axe horizontal indique la distance du centre galactique. Le Soleil se trouve au point circulaire jaune. Les vitesses observées sont en bleu, alors que les vitesses prédites se trouvent sur la courbe en orange.
Selon leslois de Kepler, si un corps céleste orbite autour d'un corps plus massif, sa vitesse orbitale diminue lorsque la distance entre les deux corps augmente. Selon ces lois, la masse de la Voie lactée, constituée d'étoiles, de gaz interstellaire et de matière ordinaire (baryonique), ne peut expliquer les vitesses orbitales des corps célestes lointains. Puisque la courbe des vitesses observées est relativement plate, ces lois nécessitent d'envisager la présence d'une masse supplémentaire formée d'une matière qui n'émet ni n'absorbe d'ondes électromagnétiques : elle a été appelée « matière noire »[117]. La courbe de rotation de la Voie lactée n'obéit à la loi universelle de rotation des galaxies spirales, que si l'influence de la matière noire est incluse. Cependant, quelques astronomes adoptent d'autres théories, telle que lathéorie MOND, qui modifie la loi de la gravitation universelle tout en rejetant l'existence de la matière noire parce qu'elle n'a pas encore été détectée avec certitude[245].
En 2006, des chercheurs rapportent avoir expliqué une déformation du disque de la Voie lactée. Elle est causée par le déplacement desnuages de Magellan, lesquels provoquent des vibrations lorsqu'ils passent près des bords du disque. À cause de leur masse relativement faible, environ 2 % de la masse de la Voie lactée, les scientifiques jugeaient leur influence insignifiante. Selon un modèle informatique, le mouvement de ces deux galaxies crée un sillage de matière noire qui amplifie leur influence sur la Voie lactée[252].
En 2014, des scientifiques rapportent que la majorité des galaxies satellitaires de la Voie lactée se trouvent à l'intérieur d'un énorme disque, la plupart se déplaçant dans la même direction[253]. Cette découverte remet en question le modèle cosmologique standard qui avance qu'elles se forment dans les halos dematière noire, sont distribuées au hasard et se déplacent dans n'importe quelle direction[254].
De la gauche à la droite et de haut en bas, les objets célestes s'emboîtent. Par exemple, la Terre à la gauche en haut fait partie du Système solaire à sa droite ; le texte en rouge montre où elle se trouve dans ce dernier. Dans l'ordre, les illustrations montrent :
Leflux de Hubble, c'est-à-dire le mouvement apparent des galaxies causé par l'expansion de l'Univers, constitue l'un de ces référentiels cosmologiques. Chaque galaxie, y compris la Voie lactée, est animée d'une vitesse propre, qui diffère du flux de Hubble. Pour comparer la vitesse de la Voie lactée au flux de Hubble, il faut observer un volume suffisamment grand pour que l'influence de l'expansion de l'Univers surpasse celle des déplacements aux échelles galactiques. À cette échelle, le déplacement moyen des galaxies dans ce volume égale le flux de Hubble. Après avoir soustrait le flux de Hubble, des astronomes ont estimé la vitesse de la Voie lactée à630km/s[260]. Comparativement aufond diffus cosmologique, un autre référentiel, la vitesse moyenne de la Voie lactée est de631 ± 20km/s[261]. Selon les observations des satellitesCosmic Background Explorer (COBE) etWilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), elle se déplace à la vitesse de552 ± 6 km/s[262]. L'effet conjugué de l'attracteur Shapley et duRépulseur du dipôle expliquerait la vitesse de la Galaxie[261],[263].
La Voie lactée est le sujet de quantité de photos publiées sur le Web. Des groupes de médias et des particuliers publient des photos de la Voie lactée. Par exemple, le blogue du journalLe Monde publie des photos de la Galaxie[271]. Par ailleurs, les magazines scientifiques, principalement d'astronomie, publient régulièrement des photos de la Voie lactée. Par exemple, le magazineNational Geographic publie des clichés en exposition longue pris de nuit où la Voie lactée forme des figures géométriques[272].
Des associations et des institutions publient des vidéos montrant la Voie lactée. Par exemple, leRéseau canadien d'information sur le patrimoine publie une vidéo sur la Voie lactée[273]. Le magazineNational Geographic publie la vidéoAu cœur de la Voie lactée, un voyage imaginaire dans notre Galaxie[274].
enpage 57, il avance que, malgré leur attraction gravitationnelle réciproque, les étoiles des constellations n'entrent pas en collision parce qu'elles suivent une orbite. Laforce centrifuge les maintient séparées ;
enpage 48, l'astronome affirme que la Voie lactée est un anneau ;
enpage 65, Wright spécule que le corps central de la Voie lactée, autour duquel le reste de la Voie lactée tourne, pourrait être invisible à nos yeux ;
enpage 73, il surnomme la Voie lactée « Vortex Magnus » (le grand tourbillon) et estime son diamètre à 8,64 × 1012 miles (13,9 × 1012km) ;
enpage 33, il spécule que la Galaxie comprend un nombre immense de planètes inhabités.
« Dem Herrn Wright von Durham, einen Engeländer, war es vorbehalten, einen glücklichen Schritt zu einer Bemerkung zu thun, welche von ihm selber zu keiner gar zu tüchtigen Absicht gebraucht zu seyn scheinet, und deren nützliche Anwendung er nicht genugsam beobachtet hat. Er betrachtete die Fixsterne nicht als ein ungeordnetes und ohne Absicht zerstreutes Gewimmel, sondern er fand eine systematische Verfassung im Ganzen, und eine allgemeine Beziehung dieser Gestirne gegen einen Hauptplan der Raume, die sie einnehmen. »
C'est à M. Wright de Durham, un Anglais, qu'il était réservé d'accomplir l'heureux pas vers une observation, qui semblait, pour lui et personne d'autre, nécessaire à la genèse d'une brillante idée, mais qu'il a insuffisamment exploité. Il a jugé que les étoiles fixes ne formaient pas un essaim désorganisé, éparpillées sans motif. Il a plutôt découvert une forme systématique dans l'ensemble ainsi qu'une relation générale entre ces étoiles et le plan principal de l'espace qu'elles occupent.
« Ich betrachtete die Art neblichter Sterne, deren Herr von Maupertuis in der Abhandlung von der Figur der Gestirne gedenket, und die die Figur von mehr oder weniger offenen Ellipsen vorstellen, und versicherte mich leicht, daß sie nichts anders als eine Häufung vieler Fixsterne seyn können. Die jederzeit abgemessene Rundung dieser Figuren belehrte mich, daß hier ein unbegreiflich zahlreiches Sternenheer, und zwar um einen gemeinschaftlichen Mittelpunkt, müste geordnet seyn, weil sonst ihre freye Stellungen gegen einander, wohl irreguläre Gestalten, aber nicht abgemessene Figuren vorstellen würden. Ich sahe auch ein: daß sie in dem System, darinn sie sich vereinigt befinden, vornemlich auf eine Fläche beschränkt seyn müßten, weil sie nicht zirkelrunde, sondern elliptische Figuren abbilden, und daß sie wegen ihres blassen Lichts unbegreiflich weit von uns abstehen. »
« J'ai étudié les formes de nébuleuses stellaires, queM. de Maupertuis a étudié dans son traité sur la forme des étoiles, et qui se présentent à peu près sous la forme d'ellipses ouvertes, et je me suis rapidement convaincu qu'elles ne pouvaient être autre chose qu'un amas d'étoiles fixes. Ces figures étant toujours circulaires m'indiquait qu'un nombre incalculable d'étoiles, [rassemblées autour] d'un centre commun, devaient être ordonnées, parce que sinon leur parcours libre entre elles devrait présenter des formes irrégulières, des motifs différents. J'ai aussi compris que dans les systèmes qui les retiennent, elles doivent être contraintes principalement à un plan, parce qu'elles montrent non pas des motifs circulaires mais des motifs elliptiques. Connaissant leur faible luminosité, elles se trouvent à des distances inimaginables de nous. »
↑L'expression« Weltinsel » (univers-île) n'apparaît pas dans l'ouvrage de Kant de 1755. Il apparaît pour la première fois en 1850 dansHumboldt 1850,p. 187 et 189[lire en ligne].
« Thomas Wright von Durham, Kant, Lambert und zuerst auch William Herschel waren geneigt die Gestalt der Milchstraße und die scheinbare Anhäufung der Sterne in derselben als eine Folge der abgeplatteten Gestalt und ungleichen Dimensionen derWeltinsel (Sternschict) zu betrachten, in welche unser Sonnensystem eingeschlossen ist. »
Passage traduit en anglais :« Thomas Wright, of Durham, Kant, Lambert, and at first Sir William Herschel, were disposed to consider the form of the Milky Way, and the apparent accumulation of the stars within this zone, as a consequence of the flattened form and unequal dimensions of theworld island (starry stratum) in which our solar system is included. » (Humboldt 1897,p. 147[lire en ligne])
« Thomas Wright (de Durham),Kant,Lambert, et premièrement SirWilliam Herschel, étaient portés à penser la forme de la Voie lactée, et le regroupement apparent des étoiles en son sein, comme conséquence de la forme aplatie et des dimensions inégales de l’univers-île (stratum étoilé), qui comprend aussi notre Système solaire. »
↑(en)Jan Oort, « Observational evidence confirming Lindblad’s hypothesis of a rotation of the galactic system »,Bulletin of the Astronomical Institutes of the Netherlands,vol. 3,,p. 275-282(lire en ligne).
↑H. van Woerden, G. W. Rougoor et J. H. Oort,« Expansion d'une structure spirale dans le noyau du Système Galactique, et position de la radiosource Sagittarius A », dansComptes Rendus l'Academie des Sciences,vol. 244,(lire en ligne),p. 1691-1695.
: document utilisé comme source pour la rédaction de cet article.
Frédéric Chaberlot,La Voie Lactée : Histoire des conceptions et des modèles de notre galaxie des temps anciens aux années 1930, CNRS,, 448 p.(ISBN978-2-271-06100-3)
(en)Ératosthène et Theony Condos,Star Myths of the Greeks and Romans : A Sourcebook Containing the Constellations of Pseudo-Eratosthenes and the Poetic Astronomy of Hyginus, Red Wheel/Weiser,(ISBN1-890482-93-5)
La version du 9 septembre 2017 de cet article a été reconnue comme « bon article », c'est-à-dire qu'elle répond à des critères de qualité concernant le style, la clarté, la pertinence, la citation des sources et l'illustration.
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