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Combien y a-t-il d’étoiles dans la Voie lactée ?

La Voie lactée est la galaxie dans laquelle réside la Terre. Une partie de celui-ci est visible par une nuit claire depuis la Terre, sous la forme d’une épaisse bande d’étoiles s’étendant dans le ciel. Nous pouvons voir des milliers de ces étoiles à l’œil nu, et bien d’autres encore dans un télescope. Mais combien y a-t-il d’étoiles dans la Voie lactée ?

« C’est une question étonnamment difficile à répondre. Vous ne pouvez pas simplement vous asseoir et compter les étoiles, en général, dans une galaxie », a déclaré David Kornreich, professeur adjoint au Ithaca College de New York. Il a été le fondateur du service « Ask An Astronomer » à l’Université Cornell.

Même dans la galaxie d’Andromède – qui est brillante, grande et relativement proche de la Terre, à 2,3 millions d’années-lumière – seules les plus grandes étoiles et quelques étoiles variables (notamment les variables céphéides) sont suffisamment brillantes pour briller dans les télescopes à cette distance. Une étoile de la taille du soleil serait trop difficile à voir pour nous. Les astronomes estiment donc, en utilisant certaines des techniques ci-dessous.

La structure de la Voie lactée

D’après les observations, les astronomes savent que la Voie lactée est une galaxie spirale barrée d’environ 100 000 années-lumière de diamètre. Une vue à l’extérieur de la galaxie révélerait un renflement central entouré de quatre bras, deux majeurs et deux mineurs. Les principaux bras de la Voie lactée sont connus sous le nom de Persée et Sagittaire. Le soleil est situé dans l’un des deux éperons mineurs, qui s’appelle le bras d’Orion.

La galaxie est également entourée d’un immense halo de gaz chauds de plusieurs centaines de milliers d’années-lumière de diamètre. Les astronomes estiment que le halo est aussi massif que toutes les étoiles de la Voie lactée. Cependant, de nombreuses étoiles de la Voie lactée sont difficiles à voir. C’est parce que le centre de la galaxie a un renflement galactique rempli d’étoiles, de gaz et de poussière – ainsi qu’un trou noir supermassif. Cette zone est si épaisse de matériau que même les télescopes puissants ne peuvent pas voir à travers. Les astronomes ne savent pas quand et comment le renflement s’est formé ; certains suggèrent que les débuts de l’histoire de la Voie lactée ont été modifiés lorsque la galaxie est entrée en collision avec une autre.

Les astronomes pensaient que toutes les étoiles de l’univers étaient situées à l’intérieur de la Voie lactée, mais cela a changé dans les années 1920. L’astronome Edwin Hubble a utilisé une étoile appelée variable Céphéide pour mesurer les distances dans le ciel. De là, les astronomes ont appris qu’il y avait des galaxies entières dans l’univers séparées de la Voie lactée.

Enquête massive

La principale façon dont les astronomes estiment les étoiles dans une galaxie est de déterminer la masse de la galaxie. La masse est estimée en examinant la rotation de la galaxie, ainsi que son spectre à l’aide de la spectroscopie.

Toutes les galaxies s’éloignent les unes des autres et leur lumière est déplacée vers l’extrémité rouge du spectre car cela étend les longueurs d’onde de la lumière. C’est ce qu’on appelle le « redshift ». Dans une galaxie en rotation, cependant, il y aura une partie qui sera plus « décalée vers le bleu » car cette partie se déplace légèrement vers la Terre. Les astronomes doivent également savoir quelle est l’inclinaison ou l’orientation de la galaxie avant de faire une estimation, qui est parfois simplement une « hypothèse éclairée », a déclaré Kornreich.

Une technique appelée « spectroscopie à fente longue » est la meilleure pour effectuer ce type de travail. Ici, un objet allongé tel qu’une galaxie est observé à travers une fente allongée et la lumière est réfractée à l’aide d’un dispositif tel qu’un prisme. Cela éclate les couleurs des étoiles dans les couleurs de l’arc-en-ciel.

Certaines de ces couleurs seront manquantes, affichant les mêmes « modèles » de parties manquantes que certains éléments du tableau périodique. Cela permet aux astronomes de déterminer quels éléments se trouvent dans les étoiles. Chaque type d’étoile a une empreinte chimique unique qui apparaîtrait dans les télescopes. (C’est la base de la séquence OBAFGKM utilisée par les astronomes pour distinguer les types d’étoiles.)

N’importe quel type de télescope peut faire ce genre de travail de spectroscopie. Kornreich utilise souvent le télescope de 200 pouces de l’observatoire Palomar du California Institute of Technology, mais il a ajouté que presque n’importe quel télescope de taille suffisante serait adéquat.

L’idéal serait d’utiliser un télescope en orbite, car la diffusion se produit dans l’atmosphère terrestre à partir de la pollution lumineuse et également d’événements naturels – même quelque chose d’aussi simple qu’un coucher de soleil. Le télescope spatial Hubble est un observatoire connu pour ce type de travail, a ajouté Kornreich. Un observatoire successeur appelé le télescope spatial James Webb devrait être lancé en 2020. Le défi, cependant, est que Hubble est un télescope très demandé – et la même chose est attendue de Webb après son lancement. Les observatoires ne peuvent donc pas passer tout leur temps à estimer la masse des galaxies.

Quelle part de la masse représente les étoiles ?

Entre différentes galaxies de même masse, il pourrait y avoir des écarts quant aux types d’étoiles et à la masse globale. Kornreich a averti qu’il serait très difficile d’en parler en général, mais a déclaré qu’une différence pourrait être de regarder les galaxies elliptiques par rapport aux galaxies spirales telles que la nôtre, la Voie lactée. Les galaxies elliptiques ont tendance à avoir plus d’étoiles naines rouges de type K et M que les galaxies spirales. Parce que les galaxies elliptiques sont plus anciennes, elles auront moins de gaz car celui-ci a été soufflé au cours de leur évolution.

Une fois que la masse d’une galaxie est déterminée, l’autre chose délicate est de déterminer quelle proportion de cette masse est constituée d’étoiles. La majeure partie de la masse sera constituée de matière noire, un type de matière qui n’émet pas de lumière mais dont on pense qu’elle constitue la majeure partie de la masse de l’univers.

« Vous devez modéliser la galaxie et voir si vous pouvez comprendre quel est le pourcentage de cette masse d’étoiles », a déclaré Kornreich. « Dans une galaxie typique, si vous mesurez sa masse en regardant la courbe de rotation, environ 90% de celle-ci est de la matière noire. »

Avec une grande partie des « trucs » restants dans la galaxie constitués de gaz diffus et de poussière, Kornreich a estimé qu’environ 3% de la masse de la galaxie sera constituée d’étoiles, mais cela pourrait varier. De plus, la taille des étoiles elle-même peut varier considérablement de quelque chose qui est la taille de notre soleil, à quelque chose des dizaines de fois plus petit ou plus grand. Le nombre d’étoiles est d’environ…

Alors, y a-t-il un moyen de savoir combien d’étoiles sont à coup sûr? En fin de compte, il s’agit d’une estimation. Dans un calcul, la Voie lactée a une masse d’environ 100 milliards de masses solaires, il est donc plus facile de traduire cela en 100 milliards d’étoiles. Cela prend en compte les étoiles qui seraient plus grandes ou plus petites que notre soleil, et les fait la moyenne. Cependant, la masse est difficile à calculer – d’autres estimations ont indiqué que la galaxie a une masse comprise entre 400 et 700 milliards de masses solaires.

La mission Gaia de l’Agence spatiale européenne cartographie les emplacements d’environ 1 milliard d’étoiles dans la Voie lactée. L’ESA a déclaré que Gaia cartographierait 1% du contenu stellaire de la Voie lactée, ce qui porte l’estimation du nombre total d’étoiles dans notre galaxie à 100 milliards. L’objectif de Gaia est de créer la meilleure carte en trois dimensions de la Voie lactée.

La mise en garde, a déclaré Kornreich, est que ces chiffres sont des approximations. Des modèles plus avancés peuvent rendre l’approximation plus précise, mais il serait très difficile de compter les étoiles une par une et de vous dire avec certitude combien il y en a dans la galaxie.

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