Comment a-t-on trouvé le centre de la Galaxie ?

[invitee8f478f4]

Bonjour.
Je m’intéressais au différent changement de paradigme au cours de l'histoire. On a abandonné le géocentrisme au profit de l'héliocentrisme, puis je me demandais ce qui a succédé. On savait déjà depuis le XVIIe siècle l'existence d'une galaxie comprenant des milliards d'étoiles mais ce n'était pas incompatible avec l'héliocentrisme : le Soleil pouvait tout simplement en être le centre. Qu'est-ce qui a prouvé que le Soleil n'était pas le centre de la galaxie ? J'ai lu que c'était l'étude de la répartition des amas stellaires qui a permis de trouver le centre de la Voie Lactée car ils ont tendance à se situer proche de ce dernier et je ne comprends pas vraiment pourquoi.
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[Gilgamesh]

Bonjour.
Je m’intéressais au différent changement de paradigme au cours de l'histoire. On a abandonné le géocentrisme au profit de l'héliocentrisme, puis je me demandais ce qui a succédé. On savait déjà depuis le XVIIe siècle l'existence d'une galaxie comprenant des milliards d'étoiles mais ce n'était pas incompatible avec l'héliocentrisme : le Soleil pouvait tout simplement en être le centre. Qu'est-ce qui a prouvé que le Soleil n'était pas le centre de la galaxie ? J'ai lu que c'était l'étude de la répartition des amas stellaires qui a permis de trouver le centre de la Voie Lactée car ils ont tendance à se situer proche de ce dernier et je ne comprends pas vraiment pourquoi.

Ce à quoi tu fais allusion doit correspondre à la mesure de la répartition des amas globulaire (Shapley, 1918). Les amas globulaire sont des amas d'étoiles denses dont la distribution est globalement sphérique autours de la Galaxie. L'hypothèse est qu'ils orbitent comme le reste autours du centre de gravité, et que la sphère où ils se répartissent est concentrique au centre de la Galaxie. Shapley mesure les distances qui nous séparent de 69 amas globulaire, et trouve que leur distribution est assymétrique, cad qu'il ne sont pas centré sur nous mais vers un point situé dans la direction du Sagittaire (l~ 325°), qu'il n'y pas d'amas dans le plan Galactique et que le Soleil dans cette hypothèse se trouve à ~ 18 kpc du centre

[Gilgamesh]

Un repost sur l'historique du concept de galaxie :

Antiquité

Anaxagore (500-428 BC) : grand nombre d'étoiles dans l'ombre projetée de la Terre appartient à la sphère des fixes

Démocrite (400-370 BC) : innombrables petites étoiles, aspect brumeux car à grandes distances

Aristote (384-322 BC) : La Voie Lactée est irrégulière donc elle appartient au monde sublunaire
Phénomène atmosphérique comme les étoiles filantes et les comètes

Macrobe (Vème siècle) : commentaire du Songe de Scipion de Cicéron (?)

Possidonius : émanation de la chaleur australe

Diodore d'Alexandrie : sentier curviligne de feu

Théophraste : point de suture des deux hémisphères

Ptolémée (100-170 AC) : pas de théorie physique
description: forme et position par rapport aux constellations

Moyen Âge

Averroes (1126-1198)
(traducteur et commentateur d'Aristote)
1) aucune preuve des propriétés ou de l'existence de l'exhalaison
2) pas de parallaxe donc au-delà de l'orbite lunaire
3) pas de variation de la quantité d'exhalaison avec le temps
--> pas parmi les étoiles fixes:
image formée par les rayons des petites étoiles

Aboulfarag (1226-1286)
(Aboulfaradi, Bar Hebraeus)
rassemblement de gaz et de poussières
ou rassemblement très serré d'étoiles ?
rejet de la Voie Lactée au-delà de l'orbite de Saturne

XVIème et XVIIème siècles:

Tycho Brahe (1546-1601)
interprétation de l'étoile nouvelle de 1572
relie les comètes à la Voie Lactée
la Voie Lactée est entre le système solaire et la sphère des fixes

Thomas Harriot (1609) observe la Voie Lactée avec une lunette

Galilée (1564-1642)
le Messager Céleste (Siderus Nuncius, 1610)
La Voie Lactée comme agglomérat d'étoiles, révélées par la lunette. "la Galaxie n'est rien d'autre qu'un amas d'étoiles innombrablesle"

Kepler (1571-1630)
suit Tycho, puis Galilée

Etat des lieux au début du XVIIème siècle:
La voie Lactée est constituée d'étoiles, mais y aurait- il un nombre infini d'étoiles ?
Pourquoi les étoiles sont- elles concentrées dans la Voie Lactée ?
Si les nébuleuses sont des conglomérats d'étoiles, sont- elles d'autres Voies Lactées?

Avec le développement de la Physique “mathématique” Newtonienne, jusqu'au milieu du XIXème, ces questions sont repoussées hors de la science “positive” (Auguste Comte)


Gregory (1638-1675): Mesure de la distance de Sirius par la méthode de distance de Saturne au moment où Sirius apparaît avec le même éclat --> Sirius est qq 100 000 fois plus éloignée que le Soleil.

Halley (1718) : découvre les mouvements propres stellaires (Aldebaran Arcturus, Sirius), pour Newton c'est la preuve que les étoiles s'attirent l'action de la gravitation --> "afin que le système des fixes ne tombent pas les uns sur les autres, [Dieu] a placés ces systèmes à une immense distance les uns des autres"


Bradley (1729) découvre l'aberration de la lumière
--> preuve que la Terre est en mouvement

Swedenborg (1734) : utilise la théorie des tourbillons de Descartes: "les cieux sont constitués d'une sorte d'éther et animés de tourbillons dont les étoiles sont les centres; le Soleil est au centre d'un tourbillon qui entraîne les planètes dans son mouvement."
La Voie Lactée est l'axe d'une sphère magnétique, et chaque étoile est le centre d'un tourbillon


Thomas Wright (1750) An Original Theory of the Universe "Neuf lettres à un ami"

la multiplicité des mondes comme nécessité théologique <--> “La Création, donc l'univers, est infinie”

- arguments mathématiques et démonstrations rigoureuses + usage de l'analogie et de principes de symétrie (étoiles = soleils).

- mouvements dans le Système Solaire : les trajectoires des comètes sont confinées dans une sphère plutôt que dans un plan.

- existence de mouvements propres stellaires <--> analogie avec les systèmes planétaires

- la situation de l'observateur à l'intérieur du système : toutes les étoiles appartiennent au même système: la Voie Lactée, il existe un ordre plus général que nous ne pouvons pas voir. Les étoiles gravitent et tournent autour d'un centre commun et la force centrifuge les empêche de s'agglomérer.

- le Soleil n'est pas au centre de l'univers. Il exite un centre depuis le quel l'ordre et les mouvements des étoiles apparaissent plus réguliers et harmonieux

Voie Lactée = vue en perspective depuis l'intérieur d'une coquille

Les étoiles suivent des orbites courbes.
Deux modèles proposés: système sphérique, anneaux

- considérations sur l'Espace et le Temps.
les dimensions du système stellaire: R(sphère) = 100.10¹² miles, une révolution stellaire > 1 million d'années 10 000 000 soleils, 60 000 000 planètes
"L'Espace doit être étendu à tout l'infini,le Temps doit continuer de toute éternité"

- existence d'autres systèmes extérieurs : les nébuleuses

Emmanuel Kant (1755) Théorie du Ciel :
Utilisation des seules lois de la mécanique newtonienne. L'instant initial est d'essence divine, donc hors de la science. L'univers est rempli d'une matière primitive chaotique
qui se condense par gravitation à partir de fluctuation primordiales. Un centre de l'univers se constitue : la formation se fait du centre au bord, la matière primitive se divise en Voies Lactées, puis en systèmes stellaires, en planètes

analogie avec le système planétaire (mauvaise lecture de Wright)
-> la Voie Lactée: un disque plat vu de l'intérieur (influence de Maupertuis: “Discours sur les différentes figures des astres”)

Les taches nébuleuses sont des systèmes d'étoiles (Univers-Île).


Jean Henri Lambert (1761) Lettres Cosmologiques :
20 lettres, les 10 premières consacrées au système solaire et aux comètes
La Galaxie est un système d'étoiles irrégulier, circulaire et plat
constitué de sous- systèmes.

Le Soleil est dans le sous- système d'Orion

Il existe un centre commun à toutes les galaxies

À la différence de Kant, ce n'est pas une cosmogonie
l'univers est fini et possède au maximum 1000 ordres

Bilan sur les modèles de Swedenborg, Wright, Kant, Lambert:
peu de données observationnelles
basés sur des principes philosophiques et la spéculation
peu de mathématiques, géométrique mais pas de quantitatif
subjectifs

William Herschel (1738-1822) : premières recherches “scientifiques”
(observationnelles et quantitatives + souci de l'instrumentation)
des tests des hypothèses spéculatives de ses prédécesseurs des modèles basés sur des données objectives et intersubjectives

Premiers articles 1784-1785
la Voie Lactée comme strate d'étoiles fixes

Résolution en étoiles reparties en amas ou strates
(amas de la vierge)

Théorie des jauges
- le rapport des magnitudes égale le rapport des distances
- les étoiles sont identiques
- le nb d'* dans un champ croît en r³
- il n'y a pas d'extinction
- les télescopes atteignent les limites

Laplace (1796-1814) Exposition du Système du Monde:
L'univers peut être conçu comme la répétition indéfinie de systèmes structurés par la gravitation, soit qu'ils aient atteint la stabilité du système solaire, soit qu'ils soient dans un état antérieur de son histoire.

- les étoiles se groupent en grands systèmes en contenant des milliards
- la Voie Lactée est la forme que prend pour nous le groupe auquel appartient le Soleil et les plus brillantes étoiles
- la profondeur de la Voie Lactée est probablement supérieure à mille fois la distance de Sirius
- il est probable que parmi les nébuleuses plusieurs soient des Voies Lactées vues de loin
- il est difficile de concevoir des bornes à l'univers


Course aux parallaxes:
Bessel (1784-1846) et Struve (1793-1858)
recherche d'une précision astrométrique meilleure que quelques 0,1"

W.Struve (1847) “Les études stellaires”
Comparaison de la portée théorique du télescope d'Herschel et sa portée effective par dénombrement d'étoiles : il n'y a pas assez d'étoiles faibles dans les jauges d'Herschel si l'on
suppose l'uniformité de la distribution des étoiles et des luminosité égales: 588 étoiles au lieu de 3000 dans le champ le plus profond !
--> l'intensité de la lumière décroît en plus grande proportion que la raison inverse des carrés des distances: il existe une perte de lumière de l'ordre de 1/100 pour une étoile de magnitude 1 (16 a.l.), soit ~2 mag/kpc (rem: cette perte ne dépend ni de la direction ni de la longueur d'onde)

Abbe (1867) , analyse du “General Catalogue” de J. Herschel
1) les amas appartiennent à la Voie Lactée, mais sont plus proches de nous que les étoiles faibles
2) les nébuleuses (résolues et irrésolues) sont situées en général à l'extérieur de la Voie Lactée.
3) la Voie Lactée est essentiellement stellaire, même s'il existe quelques nébuleuses irrésolues
Les nombreuses étoiles les empêchent de se condenser ou l'univers visible est moins étendu dans cette direction.
4) l'univers visible est composé de systèmes: la Voie Lactée, les deux nuages de Magellan et les nébuleuses, eux- mêmes composés d'étoiles et de corps gazeux réguliers ou irréguliers

Proctor (1869) et Waters (1873)
La Voie Lactée et les nébuleuses sont liées:
1) les nébuleuses “évitent” la Voie Lactée
--> dans le classement de J. Herschel : amas, amas glob. résolus, amas glob. résolvables, nébuleuses résolvables, nébuleuses non- résolvable... on s'écarte graduellement de la Voie Lactée (parmi les non- résolues, seules les nébuleuses gazeuses appartiennent à la Voie Lactée)
2) les Nuages de Magellan : cohabitation d'étoiles et de matière nébulaire
3) l'argument d'une matière absorbante ne tient pas

les “trous” comme le sac de charbon sont la preuve qu'il s'agit d'une structure mince le long de la ligne de visée et non d'un disque ou d'un anneau vu par la tranche. Galaxie = Projection sur le ciel d'un courant d'étoiles se déployant dans l'espace ainsi que d'étoiles isolées

Keeler (1900) collecte les images de 120 000 nébuleuses,
la plupart sont spirales -> renouveau de la théorie de Laplace

Easton (1900)
1) plus une partie de la Voie Lactée est brillante, plus elle est proche
2) l'extinction interstellaire est négligeable
3) l'analogie avec les nébuleuses spirales est pertinente
la Galaxie n'est pas annulaire mais spirale l'amas stellaire central se trouve dans le Cygne

Easton (1904): deux pops stellaires, deux types de nébuleuses, toutes font partie de la Voie Lactée

Easton (1913) (relevé photographique): une galaxie spirale entre M51 et M101, les Nuages de Magellan sont comparables au compagnon de M51

Agnes Clercke (1905)
“les nébuleuses ne sont pas des systèmes stellaires du même rang que la Voie Lactée”
1) de part leur nature
2) de part leur connexion à des étoiles particulières (novae)
3) elle évitent “systématiquement” la Voie Lactée, donc elles en dépendent

Kapteyn (1908)
Propose une relation statistique entre mvts propres et parallaxes qu'il raffine ensuite en introduisant le type spectral, la couleur et la fonction de luminosité des étoiles: il gagne un facteur 10 en distance (~ 3000 a. l.)

plus la magnitude apparente est élevée et plus le mouvement propre est petit, plus la probabilité que l'étoile soit lointaine est élevée

étude des mouvements propres de 2400 étoiles, réparties en 28 aires
--> deux courants d'étoiles vers deux points diamétralement opposés à deux degrés du plan Galactique: les directions d'Orion et du Sagittaire
--> deux nuages géants qui se traversent et sont entrain de se séparer ?
= une manifestation locale de la rotation globale de la Galaxie


Les mesures de distances:
la parallaxe d'Andromède (Bohlin, 1907)... 19 a. l. !

les filaments sombres dans les nébuleuses gazeuses (Wolf, 1912)
--> 33 000 a.l. pour M31, 94 000 a.l. pour M33, 172 000 a.l. pour M81

Curtis (1920) 16 novae dans M31--> 1 million d'a. l. pour Andromède

H.Leavitt (1912) relation Période - Luminosité des céphéïdes dans le petit nuage de Magellan

Slipher (1912) mesure des redshift : mise en évidence d'une vitesse radiale de -300 km/ s pour M31, puis des vitesses de 14 autres spirales (1914) + rotation
--> les spirales sont des objets très grands et très éloignés

Eddington (1914)
Modèle héliocentrique
un amas central
une ceinture composée de grands amas
analogie avec les nébuleuses spirales
il existe par endroits de la matière absorbante

H.Shapley (1914, 1918) : calibration absolue de la relation Période - Luminosité étendue aux RR-lyrae

Shapley (1915) il existe un écart dans la corrélation entre diamètres apparents et magnitudes apparentes des amas globulaires (classe homogène) ---> plus les amas sont distants plus ils sont grands :
- ou les étoiles des amas distants sont intrinsèquement plus faibles
- ou la lumière des étoiles des amas les plus distants est atténuée
- ou les étoiles des amas les plus distants sont plus rouges
- ou cela résulte d'une combinaison de ces divers effets
il concluera que l'extinction est finalement négligeable

Shapley (1918) Mesure de la distribution des amas globulaires : distribution assymétrique vers la direction du Sagittaire (l~ 325°), pas d'amas dans le plan Galactique. Le Soleil se trouve à 60 000 a. l. du centre


Le Grand Débat (1920) les nébuleuse sont elles à l'intérieure de la Galaxie ou d'autres galaxies?) Shapley et Curtis invités à débattre devant l'Académie des Sciences. Débat non tranché.


Shapley (1929): étude le l'indice de couleur des étoiles de M13: IC < 0, comme attendu s'il n'y avait pas ou peu d'extinction
--> l'extinction est faible, au pire elle est concentrée dans des régions
bien délimitées


Jeans (1917) Théorie nébulaire
- la masse nébuleuse se contracte par gravité
- forme sphérique initiale mais aplatissement par effets de marées
--> forme lenticullaire,
bulbe central et bords éffilés
- de la matière éjectée par capilarité/ viscosité forme des étoiles dans des bras spiraux

Hubble (1922) pense vérifier par l'observation la théorie nébulaire de Jeans:
dans M87, il observe une chaîne de nébulosités qui s'étend depuis le noyau et forme des
condensations quasi stellaires; des étoiles faibles s'amassent en périphérie (ce sont des amas globulaires !)

(1923-1929): mesure des distance à partir de céphéides extragalactiques
11 céphéides dans NGC6822 --> 700 000 a. l.
35 céphéides dans M33 --> 860 000 a. l.
40 céphéides dans M31 --> 900 000 a. l.

-> les spirales sont bien au-delà de la voie lactée.

[invitee8f478f4]

Merci pour ta réponse c'est ce que je cherchais. Mais je me demande pourquoi les amas d'étoile ont une répartition globalement sphérique autour du centre galactique ?

[A voir en vidéo sur Futura]

[Gilgamesh]

Merci pour ta réponse c'est ce que je cherchais. Mais je me demande pourquoi les amas d'étoile ont une répartition globalement sphérique autour du centre galactique ?

Parce qu'ils orbitent autours.