Pourquoi les astres tournent-ils sur eux-mêmes ? Les planètes autour du Soleil, la Galaxie sur elle-même ?
Ceci pose le problème fondamental de l'origine de la rotation. A première vue si l'Univers initial n'a pas de rotation propre et que chaque morceau de l'Univers est purement en expansion, sans rotation locale, on ne devrait pas obtenir d'astres tournants !
En fait ce qu'il se passe est qu'au cours de l'expansion de l'Univers l'instabilité gravitationnelle se déclenche à un moment critique. C'est cette instabilité qui est à l'origine de tous les astres et structures que nous connaissons : lorsque la gravité devient plus forte que la pression thermique (qui tend à homogénéiser) la tendance à l'écroulement sur soi-même domine. Ainsi des petites fluctuations initiales de densité de matière sont très fortement amplifiées au cours du temps.
Il en est de même de petites fluctuations de rotation. Des «tourbillons» de toutes tailles se forment et s'amplifient spontanément, un peu comme les tourbillons dans une rivière. Ainsi la quantité totale de rotation reste effectivement très petite, mais quasiment tous les astres tournent ! On peut dire que pour chaque astre tournant dans un sens il y en a un autre qui tourne dans le sens opposé, de sorte que la rotation totale s'annule.
Un phénomène semblable se produit pour les champs magnétiques, qui peuvent aussi surgirent de «rien», c'est l'effet dynamo.
La Galaxie est-elle satellite d'autres galaxies ou d'un point d'équilibre autour duquel les galaxies de notre amas tourneraient ?
Notre Galaxie fait partie d'un groupe d'une trentaine de galaxies, le Groupe Local (dont M31, la galaxie d'Andromède, et M33, la galaxie du Triangle) qui sont bien en interaction gravitationnelle. Cependant on ne peut pas parler de rotation du Groupe Local car son âge (~ 12 milliards d'années) est trop petit pour qu'il y ait déjà eu plusieurs révolutions. A son échelle de temps très longue le Groupe Local «commence» juste sa formation.
La forme d'ellipsoïde de révolution est-elle une forme d'équilibre ou intermédiaire. Pourquoi la Galaxie est-elle très «plate» alors que le Soleil, qui est aussi composé de gaz, est-il plutot sphérique ?
Tout corps céleste possède une vitesse d'évasion qui dépend de sa masse et de son rayon. Si la vitesse de rotation du corps est inférieure à la vitesse d'évasion, le système adopte une forme intermédiaire entre la sphère et le disque plat, une forme proche d'un ellipsoïde de révolution (plus précisément un sphéroïde oblat). S'il voulait tourner plus vite que sa vitesse d'évasion, il serait instable et se disloquerait.
La vitesse de rotation à l'équateur du Soleil (~ 1.7 km/s) est beaucoup plus petite que sa vitesse d'évasion (~ 620 km/s), ainsi la forme du Soleil est très proche de la sphère. Pour la Galaxie la vitesse d'évasion (~ 400 km/s) est comparable à sa vitesse de rotation (~ 200 km/s), d'où sa forme de disque.
Il existe théoriquement d'autres formes d'équilibres possibles, comme les ellipsoïdes à trois axes différents, ou des formes de poires, mais leur probabilité d'existence est faible. Cependant certaines galaxies elliptiques sont connues pour ressembler plutôt à des ellispoïdes à trois axes, et si l'on observe attentivement certaines galaxies, elles se démarquent des ellispoïdes parfaits, elles adoptent plutôt des formes de losanges ou de rectangles. La famille des ellispoïdes n'a donc rien d'universel.
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Cette réponse a été préparée par Daniel.Pfenniger@obs.unige.ch