La vitesse orbitale du Soleil

Nous avons vu comment H. Shapley a pu déterminer la distance du centre de notre Galaxie. Si nous pouvions avoir la vitesse orbitale du Soleil autour du centre galactique nous pourrions déterminer la masse de notre galaxie (voir "activités"). Mais comment mesurer cette vitesse ?

La première méthode utilisée a consisté à mesurer la vitesse apparente des amas globulaires. Cette vitesse est le reflet de la vitesse de l'observateur, comme le montre le dessin ci-dessous.

Shapley a montré (voir la rubrique "distribution des amas globulaires") que les amas globulaires peuplent un halo sphérique autour de notre Galaxie. Si ce halo est sphérique, cela signifie que le système d'amas globulaires ne tourne pas, sinon le système serait aplati. Il y a quand même une difficulté : dans le plan galactique il y a de la poussière interstellaire qui empêche de voir les amas globulaires très lointains. Il faut faire des mesures en dehors du plan galactique, comme on le voit sur la figure ci-dessous, et bien entendu prendre en compte l'effet de projection. Donc finalement, si on mesure la vitesse de nombreux amas, la dissymétrie des vitesses mesurées reflétera en fait le mouvement orbital du Soleil.

Attention, dans le schéma ci-dessus, on a l'impression que le Soleil est au centre de notre Galaxie. Ce n'est qu'une impression que le dessin ci-dessous devrait faire comprendre.

Ces mesures ont conduit à une valeur de la vitesse du Soleil, de l'ordre de 200 à 300 km/s, dans la direction du Cygne (donc dans le plan galactique). C'est rassurant de trouver une vitesse qui soit dans le plan galactique. Mais ce qui l'est encore plus est que cette direction est à 90° de la direction du centre galactique. Tout conforte le modèle d'un Soleil en mouvement orbital autour du centre de notre Galaxie.

La courbe de rotation de notre Galaxie

Vers les années 1950, la radioastronomie était née. Il devenait possible d'observer dans le plan galactique, là où la lumière visible ne passe pas à cause des poussières interstellaires. A la longueur d'onde 21 cm, il n'y a pas d'absorption par les poussières. Un nuage d'hydrogène neutre rayonne sur cette longueur d'onde. Il est donc possible de voir de tels nuages dans le plan galactique.

En mesurant la vitesse des nuages galactiques, dans des directions de plus en plus écartées du centre galactique, il est possible (voir la figure ci-dessous) de construire la courbe de rotation de notre Galaxie.

Imaginons un nuage en N. Je mesure sa vitesse apparente qui est composée d'une part de sa vraie vitesse orbitale (car lui aussi, il tourne autour du centre galactique) et d'autre part de la composante de la vitesse de l'observateur (disons le Soleil), le long de la ligne de visée (flèche en rouge). A priori, je ne connais pas la vitesse du Soleil, mais après de nombreuses mesures et par des itérations successives, j'arrive à connaître à la fois la vitesse v du nuage et la vitesse V du Soleil. La radioastronomie a en outre l'avantage de fournir des vitesses extrêmement précises.

Par ailleurs, je connais la direction de visée SN, et je connais la distance SC du centre galactique. Je peux connaître ainsi la distance, r = CN = SC sini, qui sépare le nuage de gaz du centre galactique. Je peux construire ainsi la courbe de rotation de notre Galaxie.

C'est ainsi que les astronomes sont arrivés à une détermination précise de la vitesse orbitale du Soleil autour du centre galactique. Cette vitesse est de V = 220 km/s. La répartition des nuages de gaz a permis de montrer que notre Galaxie était une galaxie spirale, avec plusieurs bras.

La masse approximative de notre Galaxie peut donc se calculer en appliquant les lois de la mécanique classique ; la troisième loi de Kepler pour être précis.

Profitons de cette figure pour dire qu'une galaxie comme la nôtre tourne "en bloc" près du centre. C'est-à-dire que la vitesse augmente avec le rayon. Mais passé un certain rayon maximum, la vitesse décroît, comme pour un mouvement "Képlérien", d'une planète autour d'une étoile. Le problème majeur qui se pose et qui n'est toujours pas résolu, est que la courbe de rotation des galaxies devrait décroître jusqu'à zéro, ce qui n'est pas observé. Nous verrons que c'est une preuve avancée pour justifier l'existence de matière "noire".