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Des milliards d'étoiles liées par la gravité, baignées dans la matière noire, formant des structures spirales, elliptiques ou irrégulières qui constituent les briques fondamentales du cosmos visible.
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Une galaxie est un système gravitationnellement lié composé d'étoiles, de gaz interstellaire, de poussières, de matière noire et de rayonnement, dont la masse varie de quelques millions d'étoiles (galaxies naines) à plusieurs billions (galaxies géantes). Le terme « galaxie » vient du grec galaxias (γαλαξίας), référence à la Voie Lactée.
Les premières galaxies se sont formées environ 200 à 400 millions d'années après le Big Bang, quand les fluctuations de densité primordiales ont permis à la matière de s'effondrer sous sa propre gravité. La matière noire, ne rayonnant pas, s'est concentrée en premier, formant des halos gravitationnels — des « filaments » — dans lesquels la matière baryonique s'est ensuite accumulée pour former les premières étoiles et galaxies.
La théorie de formation hiérarchique (bottom-up) prédit que les petites galaxies se forment en premier et fusionnent progressivement pour former des structures plus grandes. Les simulations cosmologiques (IllustrisTNG, EAGLE, Millennium) reproduisent la distribution observée des galaxies avec un remarquable accord, confirmant le rôle central de la matière noire froide.
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Edwin Hubble proposa en 1926 la première classification systématique des galaxies, sous forme d'un « diagramme en diapason » (tuning fork). Bien que basé uniquement sur la morphologie et non sur l'évolution, ce schéma reste la référence.
Forme sphérique à ellipsoïdale, notées E0 (sphérique) à E7 (très aplatie). Peu de gaz et de poussière, pas de formation stellaire récente. Étoiles vieilles, rouges. IC 1101 est la plus grande connue (6 M al). Dominent les centres des amas.
Disque plat avec bras spiraux et bulbe central. Classées Sa (bras serrés, gros bulbe) à Sd (bras ouverts, petit bulbe). Riches en gaz HI et H₂, avec formation stellaire active. La Voie Lactée et Andromède en sont des exemples.
Variante où les bras naissent des extrémités d'une barre centrale d'étoiles traversant le noyau. ~60 % des spirales possèdent une barre. La Voie Lactée est classifiée SBbc. La barre canalise le gaz vers le centre, alimentant les sursauts de formation stellaire.
Intermédiaires entre spirales et elliptiques : disque sans bras spiraux distincts. Peu de gaz résiduel, formation stellaire ralentie. Fréquentes dans les amas denses. Pourraient être d'anciennes spirales ayant épuisé leur gaz par ram pressure stripping.
Morphologie chaotique, résultat de fusions ou interactions gravitationnelles. Riches en gaz et en formation stellaire. Les Nuages de Magellan (satellites de la Voie Lactée) sont les galaxies irrégulières les plus proches (~160 000 al).
Sous-type le plus abondant de l'Univers. Masse < 10⁹ M☉. Incluent les naines sphéroïdales (dSph), ultra-diffuses (UDG) et compactes bleues (BCD). Forment l'essentiel de la population satellitaire des galaxies massives.
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Les galaxies ne sont pas distribuées aléatoirement dans l'Univers : elles forment une toile cosmique (cosmic web) constituée de filaments, de feuilles, d'amas et de vides gigantesques — une structure fractale prédite par les simulations cosmologiques et observée dans les grands relevés.
En 2014, Brent Tully et son équipe ont utilisé les données de flux de peculiar velocity pour cartographier Laniakea — notre superamas galactique. Avec un diamètre de ~520 millions d'années-lumière et une masse de 10¹⁷ M☉, il contient environ 100 000 galaxies dont la Voie Lactée, à 65 millions d'années-lumière du « Grand Attracteur ».
Laniakea n'est cependant pas une structure gravitationnellement liée : elle est en cours d'expansion sous l'effet de l'énergie noire. Dans un univers en expansion accélérée, seuls les amas gravitationnellement liés (clusters) subsisteront à terme.
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On sait aujourd'hui que presque toutes les galaxies massives abritent un trou noir supermassif en leur centre, d'une masse de 10⁶ à 10¹⁰ M☉. Lorsque de la matière tombe dans le trou noir via un disque d'accrétion, une quantité colossale d'énergie est libérée — formant un noyau galactique actif (AGN).
Les AGN se déclinent en plusieurs types selon leur luminosité et géométrie : quasars (AGN à très haute luminosité, visibles à l'échelle cosmologique), blazars (AGN dont le jet relativiste pointe vers nous), galaxies de Seyfert (AGN moins lumineux dans des spirales proches) et radiogalaxies (AGN avec jets de plasma s'étendant sur des mégaparsecs).
En 2019, l'Event Horizon Telescope (EHT) a capturé la première image de l'ombre du trou noir de M87 (masse 6,5 × 10⁹ M☉), confirmant les prédictions de la relativité générale. En 2022, l'EHT a photographié Sagittarius A*, le trou noir central de la Voie Lactée (4,15 × 10⁶ M☉). Les jets d'AGN régulent la formation stellaire dans les galaxies massives — un mécanisme dit de « rétroaction » (AGN feedback) essentiel dans les simulations.
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Notre galaxie. Diamètre ~105 000 al, masse ~10¹² M☉. Trou noir central : Sgr A* (4,15 × 10⁶ M☉). ~200–400 milliards d'étoiles, bras de Persée, du Cygne, du Sagittaire et bras d'Orion (local).
Plus grande galaxie du Groupe Local. Distance : 2,537 Maly. En collision avec la Voie Lactée dans ~4,5 milliards d'années. Trou noir : 1,1 × 10⁸ M☉. Visible à l'œil nu.
Géante elliptique au centre de l'amas de la Vierge. Trou noir de 6,5 × 10⁹ M☉ photographié par l'EHT (2019). Jet relativiste de 5 000 al visible en radio.
Satellite de la Voie Lactée à 160 000 al. La nébuleuse de la Tarentule (30 Doradus), la région HII la plus brillante du Groupe Local, y résida. SN 1987A s'y produisit.
Galaxie starburst classique à 12 Maly, en interaction avec M81. Taux de formation stellaire 10× supérieur à la Voie Lactée. Vent galactique de gaz chaud visible en H-α.
Fusion spectaculaire de deux spirales à 45 Maly. Longues queues de marée de 500 000 al. Des milliers d'amas stellaires jeunes formés par la collision. Image emblématique de Hubble.
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La Voie Lactée est une galaxie spirale barrée de type SBbc, avec un bulbe central allongé (barre), un disque mince (~1 000 al d'épaisseur) et un disque épais, un halo stellaire sphérique et un halo de matière noire s'étendant sur ~200 000 al. Sa masse totale est estimée à 1,0–1,5 × 10¹² M☉, dont ~90 % de matière noire.
Le Soleil orbite à environ 26 000 al du centre galactique, dans le Bras d'Orion (bras mineur entre le bras de Persée et le bras du Sagittaire), avec une période orbitale de ~225 millions d'années (une « année galactique »). La vitesse de rotation du Soleil autour du centre galactique est d'environ 220 km/s.
La cartographie 3D de la Voie Lactée a connu une révolution avec la mission Gaia (ESA), lancée en 2013. Les données de Gaia DR3 (2022) fournissent les positions, vitesses propres et parallaxes de plus de 1,5 milliard d'étoiles, révélant la structure spirale, les courants d'étoiles, et les traces d'anciennes fusions galactiques (Gaia-Enceladus, Sagittarius Dwarf).