M51 (NGC 5194), aussi surnommée la galaxie du Tourbillon, est une galaxie spirale relativement rapprochée située à environ , selon des mesures non basées sur le décalage vers le rouge, dans la constellation des Chiens de chasse.
M51 est la première galaxie dont on a observé la structure spirale au milieu du . De plus, cette galaxie est en interaction gravitationnelle avec une proche compagne, la galaxie lenticulaire NGC 5195 (parfois désignée M51B).
Description La classe de luminosité de M51 est II-III et elle présente une large raie HI. Elle renferme également des régions d'hydrogène ionisé (HII). De plus, elle est une galaxie active de type Seyfert 2.5.
La luminosité de M51 dans l'infrarouge lointain (de 40 à ) est égale à (10) et sa luminosité totale dans l'infrarouge (de 8 à ) est de (10).
Selon la base de données NASA/IPAC, la vitesse de M51 par rapport au fond diffus cosmologique est de .
Histoire observationnelle Découverte de M51 M51 a été découverte par l'astronome français Charles Messier le . Ce dernier l'a inscrite à son célèbre catalogue le . Six jours auparavant, soit le , l'astronome allemand Johann Elert Bode avait redécouvert indépendamment M51.
La galaxie compagne NGC 5195 n'a été découverte que le par l'astronome français Pierre Méchain, mais on pense que les deux galaxies ont été observées par Messier.
Structure spiralée La première mention connue de la structure spirale de M51 fut rapportée par l'astronome irlandais William Parsons (dit Lord Rosse) en , alors qu'il l'observait à l'aide de son télescope de de diamètre (72 pouces) situé au Château de Birr, en Irlande. Parsons en fit un premier croquis, publié en juin de la même année à la British Association for the Advancement of Science de Cambridge. Il en réalisera un second en .
Le surnom de « galaxie du Tourbillon » (Whirlpool Galaxy en anglais) proviendrait d'une publication de du dessin de Parsons annoncée comme : « la nébuleuse du tourbillon de Lord Rosse ».
gauche|vignette|Second dessin de M51 réalisé par William Parsons, publié en 1850. M51 fut la première « nébuleuse » connue exhibant une structure spirale. Depuis cette découverte, on donna le nom de nébuleuse spirale à d'autres objets du ciel profond à l'aspect similaire. Il faudra attendre les années 1920 et les travaux d'Edwin Hubble pour que les astronomes comprennent que la plupart de ces « nébuleuses » sont en fait d'autres galaxies, bien plus lointaines.
Distance La distance qui nous sépare de la galaxie M51 reste encore à ce jour incertaine. Selon les méthodes de calcul et d'observation utilisées, les valeurs obtenues restent plus ou moins fiables et précises :
Selon la base de données NASA/IPAC, la distance de Hubble de M51 est égale à . Cependant, comme pour plusieurs galaxies du groupe de M101 et du groupe de M51 (voir en fin de page), la distance de Hubble est souvent très différente de la distance mesurée par des méthodes indépendantes du décalage vers le rouge. Certaines galaxies se déplacent dans le groupe avec des vitesses propres qui ne sont pas négligeables par rapport à la vitesse de récession produite par l'expansion de l'Univers. Si une galaxie du groupe se dirige vers la Voie lactée, on obtient une distance de Hubble plus petite que la distance réelle de la galaxie et, dans le cas contraire, une distance plus grande.
Dans le cas de M51, 53 mesures non basées sur le décalage vers le rouge (redshift) ont été réalisées à ce jour. La distance de cet échantillon donne une valeur de . Selon ces mesures, la distance de M51 est comprise entre 16,6 et 30,5 millions d'années-lumière.
Une valeur plus précise de a été obtenue en se basant sur les supernovas SN 2005cs et SN 2011dh. Une dizaine d'autres articles portant sur l'évaluation de la distance de M51 ont été publiés depuis 2012. La valeur moyenne des distances de ces articles est de .
Selon une étude publiée en 2023, la distance de M51 serait égale à . Cette valeur est basée sur l'observation de céphéides et de la supernova SN 2005cs.
Morphologie M51 est une galaxie spirale de grand style, c'est-à-dire dont les bras spiraux sont bien définis. On pense par ailleurs que le dessin majestueux de ses bras est en partie dû à l'influence gravitationnelle de la galaxie compagne NGC 5195. M51 présente deux bras spiraux majeurs qui s'enroulent autour de son bulbe central. Ces derniers effectuent par endroits des virages serrés, s'apparentant à des « coudes » probablement causés par l'interaction avec NGC 5195. Le bras spiral Nord se termine en rejoignant la galaxie compagne, mais en réalité celui-ci passe devant celle-ci depuis notre point de vue.. vignette|La paire de galaxies M51 et NGC 5195 (à droite) imagée par le télescope spatial Hubble (2005). vignette|Détail de M51 réalisé par Hubble.
M51 a été utilisée par Gérard de Vaucouleurs comme une galaxie de type morphologique SA(s)bc dans son atlas des galaxies.. Avec NGC 5195, elle figure également dans l'atlas des galaxies particulières d'Halton Arp sous la cote Arp 85.
Interaction avec NGC 5195 M51 forme une paire de galaxies en interaction avec sa voisine NGC 5195. À ce jour, le déroulement précis de leur interaction reste en débat. Deux hypothèses basées sur des simulations numériques et des études cinématiques existent : celle où NGC 5195 aurait effectué plusieurs rencontres rapprochées avec M51, et celle d'une rencontre unique.
Selon la première hypothèse, NGC 5195 pourrait avoir traversé le disque de M51 il y a entre 500 et 600 millions d'années, le pénétrant de l'arrière vers notre direction avant d'effectuer un autre croisement il y a entre 50 et 100 millions d'années jusqu'à sa position présente, soit légèrement à l'arrière de M51. Dans un article publié en 2020, la première rencontre est indiquée comme avoir eu lieu il y a entre 400 et 500 millions d'années.
L'interaction entre les deux galaxies a amélioré le taux de formation d'étoiles dans M51, plus particulièrement dans son bras spiral Nord. On pense également que de la matière interstellaire provenant de M51 a pu être accrétée par NGC 5195.
Débris de marée M51 et NGC 5195 sont entourées de débris de marée qui apparaissent sous la forme d'une vaste étendue diffuse visible en imagerie optique (lumière visible) ou infrarouge. Ces débris, principalement constitués d'étoiles, ont pour origine l'interaction qui se joue entre les deux galaxies. Au Nord-Ouest de M51, se trouve notamment un grand panache diffus qui s'étend jusqu'à une distance d' depuis le centre de cette galaxie. Abritant essentiellement de vieilles étoiles, ce dernier s'est probablement formé il y a quelques centaines de millions d'années. vignette|Visualisation des débris de marée (régions diffuses) autour de M51 et NGC 5195. Cette image est issue d'un temps de pose de près de 255h et révèle aussi le nuage ionisé (en rouge, à droite) découvert en 2018.
Un article publié en 2018 rapporte la découverte d'un vaste nuage d'hydrogène ionisé à au Nord de la paire de galaxies. La taille de cette nébuleuse est immense, 25 par 7,5 kpc. Pour expliquer la présence de ce vaste nuage, les auteurs de l'étude privilégient les modèles dans lesquels les gaz ont été expulsés du système d'interaction de M51 par des forces de marée ou par des vents provenant d'une période de sursaut de formation d'étoiles. Ce dernier scénario soulève la possibilité que ce soit un exemple de nébuleuse fossile AGN ou d'un écho lumineux semblable au voorwerp de Hanny près de la galaxie IC 2497.
Centre de la galaxie Formation d'étoiles Grâce aux observations du télescope spatial Hubble, on a détecté un disque de formation d'étoiles autour du noyau de M51. La taille de son demi-grand axe est estimée à 600 pc (~-lumière). L'efficacité actuelle de formation d'étoiles définie comme étant le rapport de la masse des nouvelles étoiles à la masse du gaz impliqué n'est cependant que d'environ 1 %, une valeur comparable à la valeur globale de la Voie lactée et d'autres galaxies spirales. On estime que ce taux élevé ne durera pas plus de 100 millions d'années.
Trou noir supermassif Selon les auteurs d'un article publié en , la masse du trou noir central de M51 (NGC 5194) est de (10).
Selon une étude publiée en 2009 et basée sur la vitesse interne de la galaxie mesurée par le télescope spatial Hubble, la masse du trou noir supermassif au centre de M51 serait comprise entre et de . Une autre étude réalisée auprès de 90 galaxies de type Seyfert 2 utilisant la dispersion des vitesses a permis d'estimer la masse des trous noirs supermassifs centraux de celles-ci. Pour M51, la masse du trou noir est égale à (10).
Selon les auteurs d'un article publié en , la connaissance de la masse d'un trou noir central et du taux d'accrétion de celui-ci permet d'estimer le taux de formation d'étoiles dans la région centrale des galaxies de Seyfert. Ce taux pour M51 serait à l'intérieur et à l'extérieur d'un rayon de respectivement de et de .
Les images obtenues par le télescope spatial Hubble ont permis aux astronomes de voir ce qui pourrait être un immense disque de poussière qui nourrit le trou noir supermassif au centre de M51. Ces observations furent rapportées par Holland Ford de l'Université Johns-Hopkins..
Objets célestes atypiques Structure en forme de « X » Des images du centre de M51 prises par Hubble montrent une étonnante structure sombre en forme de « X » à la position exacte du trou noir supermassif. vignette|L'étonnante structure en forme de « X » au centre de M51 (Hubble).
La barre la plus large et la plus foncée du « X » pourrait être un anneau de poussière d'une centaine d'années-lumière de diamètre qui nous cacherait le trou noir et son disque d'accrétion.. La seconde barre du « X » pourrait être un autre disque de poussière vu par la tranche ou possiblement du gaz et de la poussière en rotation dans M51 qui intersectent les cônes des jets de matière ionisée émis par le trou noir. vignette|Autre image plus détaillée du « X » de M51 prise par Hubble.
Étoile obscurcie Dans une étude publiée en 2021, en comparant les relevés issus de précédentes observations de M51 par le télescope spatial Hubble, une équipe de chercheurs a découvert que l'étoile M51-DSI, une supergéante rouge située dans la dite galaxie, a disparu entre 2017 et 2019. De par ses caractéristiques, cette disparition fut interprétée comme une possible « supernova ratée », où l'étoile se serait effondrée sur elle-même donnant directement naissance à un trou noir, sans produire un accroissement de sa luminosité. Cette hypothèse fut cependant rejetée après que l'étoile soit réapparue au cours de l'année 2021. On pense que M51-DSI a plus vraisemblablement connue une importante éruption de matière ayant assombrie l'étoile vue depuis la Terre, la faisant ainsi disparaître temporairement. Ce phénomène, déjà observé à moindre intensité avec Bételgeuse en 2019, reste relativement rare.
Exoplanète En , le télescope spatial Chandra détecte une possible exoplanète, nommée M51-ULS-1b, en orbite autour de M51-ULS-1, une binaire X de grande masse. Son existence a été de nouveau confirmée le par la NASA qui précise ses observations sur de M51, 64 dans M101 et 116 dans M104. Le phénomène, présumé comme le passage d'une exoplanète, n'avait été détecté que sur M51-ULS-1. Or, le prochain passage est prévu dans 70 ans environ, ce qui reste difficile à confirmerNASA, Chandra Sees Evidence for Possible Planet in Another Galaxy, le 25 octobre 2021 .
Il s'agit de la toute première exoplanète détectée en dehors de la Voie lactée. Cette découverte a été réalisée grâce aux transits que la planète effectue devant une source de rayons X, qui peut être soit une étoile à neutrons soit un trou noir, en étoile binaire d'objets compacts avec une étoile supergéante, probablement de type B.
Observation (amateur) Repérage