D'immenses îles d'étoiles, de gaz, de poussière et de matière noire — les briques élémentaires qui composent l'univers à grande échelle. De la spirale paisible à l'objet le plus lumineux du cosmos.
Une galaxie est un système lié par la gravité, composé d'étoiles, de gaz, de poussière et — de loin la composante de masse dominante — de matière noire. Les ordres de grandeur en jeu sont difficiles à se représenter : notre propre galaxie, la Voie lactée, a un diamètre d'environ 100 000 années-lumière et contient entre 100 et 400 milliards d'étoiles environ. Dans l'ensemble de l'univers observable, les estimations actuelles — étayées par les images profondes des télescopes spatiaux Hubble et James-Webb — vont de plusieurs centaines de milliards à environ deux mille milliards de galaxies, selon la méthode de comptage, depuis les gigantesques géantes elliptiques comptant plusieurs milliers de milliards d'étoiles jusqu'aux galaxies naines n'en comptant que quelques millions. Les galaxies apparaissent rarement isolées : elles se regroupent en groupes, amas et superamas le long d'un réseau cosmique filamenteux — la plus grande structure connue de l'univers.
La répartition de masse estimée de la Voie lactée révèle un schéma typique de la plupart des galaxies : la matière lumineuse, directement visible — étoiles, gaz et poussière — ne représente qu'une infime fraction de la masse totale. Le reste provient d'une composante invisible, dont l'existence ne se déduit que de son effet gravitationnel : des courbes de rotation de galaxies qui tournent plus vite que ne le permettrait leur masse visible. Sans ce « ciment » gravitationnel supplémentaire, de nombreuses galaxies ne pourraient tout simplement pas se maintenir.
En 1926, Edwin Hubble proposa un schéma de classement qui reste, moyennant quelques extensions, la référence de la morphologie galactique : le « diagramme en diapason ». Il classe les galaxies uniquement selon leur apparence visuelle, et non selon leur âge ou leur évolution physique. Hubble lui-même supposait au départ une séquence évolutive allant de la gauche (elliptique) vers la droite (spirale) — cette hypothèse est aujourd'hui considérée comme réfutée. La classification reste néanmoins utile, car elle est corrélée à des grandeurs physiques réelles : teneur en gaz, taux de formation d'étoiles et rapport bulbe/disque.
La classification abstraite devient concrète à travers des exemples précis. Quatre galaxies illustrent l'étendue de ce que recouvre le terme « galaxie » — de notre propre foyer cosmique jusqu'à l'un des trous noirs supermassifs les plus massifs connus.
Notre propre galaxie — observée de l'intérieur, donc plus difficile à cartographier que des galaxies lointaines. Une barre centrale canalise le gaz vers le noyau, d'où partent des bras spiraux comme le bras de Persée et le bras du Sagittaire. Le Soleil se situe dans un bras secondaire plus modeste, le bras d'Orion.
La plus proche grande galaxie spirale, visible à l'œil nu — une faible tache nébuleuse dans la constellation d'Andromède. Plus grande en diamètre que la Voie lactée, bien que de masse totale comparable. Elle se rapproche de nous, décalée vers le bleu, à environ 110 km/s : le début d'une future collision.
Une galaxie elliptique gigantesque au centre de l'amas de la Vierge. Son trou noir supermassif fut, en 2019, le premier à être directement imagé — le célèbre « anneau de feu » de l'Event Horizon Telescope. Un jet de matière relativiste jaillit sur des milliers d'années-lumière dans l'espace.
Une galaxie satellite de la Voie lactée, visible à l'œil nu dans l'hémisphère sud. Sans structure spirale ou elliptique ordonnée, mais riche en gaz et en formation d'étoiles — elle abrite la nébuleuse de la Tarentule, l'une des régions de formation d'étoiles les plus actives du voisinage local.
La Voie lactée se compose de trois grandes unités structurelles. Le bulbe central est un amas dense, à peu près sphérique, d'étoiles majoritairement anciennes. Il est entouré du disque plat en rotation, où se trouvent les bras spiraux — c'est là que se déroule pratiquement toute la formation active d'étoiles, alimentée par le gaz et la poussière. Le halo forme le cadre extérieur : une région sphérique peu peuplée d'étoiles anciennes et d'amas globulaires, qui contient également le réservoir de matière noire et s'étend bien au-delà du disque visible.
Le Soleil orbite autour du centre galactique à environ 27 000 années-lumière, intégré au bras d'Orion — une ramification plutôt modeste entre le bras de Persée, plus massif, et le bras du Sagittaire. Avec une vitesse orbitale d'environ 220–240 km/s, il lui faut, pour un tour complet, ce que l'on appelle une année galactique, entre 225 et 250 millions d'années environ. Depuis sa formation, le Soleil n'a donc accompli qu'une vingtaine de ces révolutions.
Au centre de la Voie lactée se trouve un trou noir supermassif, Sagittarius A*, d'environ 4,3 millions de masses solaires. Son existence et sa masse n'ont pas été observées directement, mais reconstituées sur plusieurs décennies à partir des orbites d'étoiles individuelles, qui décrivent autour du point invisible des ellipses extrêmement serrées et rapides. Reinhard Genzel et Andrea Ghez ont reçu pour cela le prix Nobel de physique 2020. En 2022, l'Event Horizon Telescope est en outre parvenu à obtenir la première image directe de l'ombre de Sagittarius A*.
Les galaxies ne sont pas des objets isolés et statiques — à l'échelle des temps cosmiques, elles entrent en collision, fusionnent et se déforment mutuellement. Lorsque deux galaxies se rapprochent, des forces de marée entrent en jeu : le bord le plus proche d'une galaxie est attiré plus fortement que le bord le plus lointain, ce qui arrache de longues « queues de marée » étendues d'étoiles et de gaz. Lorsque le gaz interstellaire se comprime et se densifie, cela peut déclencher de gigantesques poussées de formation d'étoiles — des sursauts de formation stellaire (starbursts), où une galaxie forme des milliers de nouvelles étoiles en l'espace de quelques millions d'années à peine. Les étoiles elles-mêmes entrent rarement en collision directe — l'espace qui les sépare est immense, même au sein d'une même galaxie ; ce sont surtout le gaz, la poussière et la structure à grande échelle qui sont affectés.
Presque toute galaxie massive abrite en son centre un trou noir supermassif — la plupart d'entre eux, comme Sagittarius A*, sont aujourd'hui largement inactifs, faute d'apport suffisant de matière. Mais si suffisamment de gaz tombe en direction du trou noir, un disque d'accrétion se forme : la matière s'échauffe par friction jusqu'à des millions de degrés et rayonne des quantités d'énergie considérables — nettement plus efficacement que toute fusion nucléaire connue. Une partie de cette énergie est en outre projetée dans l'espace le long de l'axe de rotation sous forme de jets relativistes, propulsés par le puissant champ magnétique entourant le trou noir. De tels centres sont appelés noyaux actifs de galaxie (AGN).
Les quasars sont la forme la plus lumineuse des noyaux actifs de galaxie : ils peuvent rayonner plus d'énergie que la totalité des étoiles de leur galaxie hôte, dépassant ainsi en luminosité la galaxie entière — alors que la source de rayonnement centrale ne mesure que quelques heures-lumière. Les quasars apparaissent surtout dans l'univers primitif, à une époque où le gaz abondait encore pour nourrir les trous noirs, et servent aujourd'hui aux astronomes de « phares » extrêmement lointains pour cartographier la structure du jeune cosmos.
En 2024, le quasar J0529-4351 a été confirmé comme l'objet le plus lumineux connu à ce jour dans l'univers. Son trou noir central engloutit de la matière à un rythme équivalent à une masse solaire par jour — le disque d'accrétion associé est ainsi plus lumineux que 500 000 milliards de soleils. Malgré des décennies de relevés du ciel, l'objet est longtemps passé inaperçu, car il ressemblait de façon trompeuse à une étoile ordinaire.
Quelques ordres de grandeur et observations qui montrent à quel point notre image de l'univers galactique est en réalité peu ordinaire.
Par rapport au fond diffus cosmologique — le système de référence le plus proche du « repère au repos » de l'univers — la Voie lactée se déplace à environ 600 à 630 km/s. La cause en est l'attraction gravitationnelle combinée de concentrations de masse lointaines, dont le « Grand Attracteur » dans la constellation du Centaure. Même au sein d'un univers apparemment immobile, notre foyer cosmique est donc tout sauf tranquille.
Lorsque le télescope spatial Hubble a photographié pendant dix jours, en 1995, une minuscule région du ciel apparemment vide — plus petite qu'un grain de sable vu à bout de bras —, l'image résultante, le « Hubble Deep Field », a révélé plus de 3 000 galaxies. Le télescope spatial James-Webb a depuis largement dépassé cette profondeur d'observation, rendant visibles des galaxies datant des quelques centaines de millions d'années suivant le Big Bang.
Les galaxies naines — petites, peu lumineuses, souvent sans structure marquante — sont de loin la forme de galaxie la plus fréquente dans l'univers. Rien qu'autour de la Voie lactée, plusieurs dizaines de galaxies compagnes de ce type sont aujourd'hui connues, dont beaucoup n'ont été découvertes que grâce à des relevés du ciel toujours plus sensibles. Les spirales et ellipses spectaculaires comme celles présentées ici sont l'exception, pas la règle.
Les amas de galaxies massifs courbent l'espace-temps si fortement qu'ils dévient de façon mesurable la lumière d'objets d'arrière-plan bien plus lointains — visible sous forme d'arcs déformés ou de galaxies image multiples. Cet effet de lentille gravitationnelle fournit l'un des indices les plus solides en faveur de la matière noire, dont la répartition peut ainsi même être cartographiée. Pour en savoir plus, voir la page Matière noire & énergie.