vignette|La galaxie spirale M51 (galaxie du Tourbillon). Une galaxie (du latin , emprunté au grec ancien , « lait ») est une structure cosmique formée d'étoiles, de planètes, de gaz, de poussière interstellaire, sans doute essentiellement de matière noire, le tout rassemblé par l’effet de gravitation de l'ensemble de ces composantes. En leur centre se trouve souvent un trou noir supermassif. Les galaxies sont de formes diverses : spirale, elliptique, à anneau, ou irrégulière.
Les galaxies appartiennent souvent à des groupes ou à des amas de galaxies, eux-mêmes pouvant se structurer en superamas. Elles ne sont pas des systèmes fermés : elles échangent et interagissent avec le milieu intergalactique et avec les galaxies voisines.
Caractéristiques vignette|gauche|Vue d'artiste de A2744 YD4, une des plus lointaines et des plus anciennes galaxies connues dans l'Univers observable, découverte en 2017. La Voie lactée, ou la Galaxie (avec une majuscule), c'est-à-dire la galaxie dans laquelle se trouve le Système solaire, compte quelques centaines de milliards d'étoiles (10).. et a une extension de l'ordre de . Un rapport de la mission spatiale européenne Gaia a rendu publique, le , la position de de notre galaxie, ce qui représente moins de 1 % de la totalité de ses étoiles.. La plupart des galaxies typiques comportent un nombre similaire d'astres, mais les galaxies naines comptent à peu près une dizaine de milliards d'étoiles (10) et des galaxies géantes comptent plusieurs milliers de milliards d'étoiles (10). Sur la base de ces chiffres et de la taille de l'univers observable, on estime que celui-ci compte quelques centaines de milliards de galaxies de masse significative. La population de galaxies naines est cependant très difficile à déterminer, du fait de leur masse et de leur luminosité très faibles. Il pourrait donc contenir jusqu'à de galaxies, mais cela ne pourra être confirmé qu'avec les observations des futurs télescopes (tel le Télescope géant européen ou le Télescope de Trente Mètres)..
Les galaxies en tant que systèmes stellaires de grande taille ont été mises en évidence dans le courant des années 1920, principalement par l'astronome américain Edwin Hubble, bien que des premières données indiquant ce fait remontent à 1914. Les galaxies sont de trois types morphologiques principaux : elliptiques, spirales, irrégulières. Une description plus étendue des types de galaxies a été donnée à la même époque par Hubble et est depuis nommée séquence de Hubble.
vignette|, galaxies en interaction de la constellation de la Grande Ourse. Toutes les étoiles ne font pas partie de galaxies. S'il semble établi que c'est au sein des galaxies que se forment les étoiles, dans des régions à sursauts de formation d'étoiles, elles sont susceptibles d'en être expulsées, soit du fait d'interactions entre galaxies, soit du fait de rencontres rapprochées entre une étoile et un astre très massif, tel un trou noir supermassif situé au centre d'une galaxie. On observe ainsi certaines étoiles dotées d'une vitesse élevée par rapport à leur galaxie, signe qu'elles n'y sont plus liées gravitationnellement. De telles étoiles sont de ce fait appelées « étoiles en fuite ». Plusieurs représentantes de cette classe sont connues, telles SDSS J090745.0+024507 et GRO J1655-40, toutes deux en train de quitter la Voie lactée. La première est probablement issue d'une rencontre rapprochée avec son trou noir central Sagittarius A* (Sgr A*) en son centre galactique, la seconde est sans doute issue d'une supernova asymétrique dont le résidu compact a été expulsé de la région où l'explosion a eu lieu.
Diamètre d'une galaxie
Dès 1936, Edwin Hubble a réalisé des tentatives pour caractériser le diamètre des galaxies. Les premières recherches reposaient sur l'angle observé sous-tendu par la galaxie et sa distance estimée, ce qui conduisait à un diamètre angulaire (également appelé « diamètre métrique ») Allan R. Sandage, Richard G. Kron, Malcolm S. Longair, « The Deep Universe. Saas-Fee Advanced Course », Swiss Society for Astrophysics and Astronomy. V, vol. 23, Springer-Verlag, 1995 , page 43.. Mais on s'est rapidement rendu compte que la taille apparente d'une galaxie dépendait de la puissance des télescopes utilisés. Il fallait trouver d'autres méthodes.
Les galaxies ne possèdent pas de limites définies par nature et se caractérisent par une densité stellaire décroissante à mesure que l'on s'éloigne de leur centre, ce qui rend difficile la mesure de leur taille réelle. Néanmoins, au cours des , les astronomes ont défini plusieurs critères. Il existe trois méthodes principales . L'une d'elles repose sur les courbes d'égale luminosité, les isophotes. La deuxième a été développée par Vahé Petrosian en et la troisième exploite les données captées par le relevé 2MASS.
Finalement, quelle que soit la méthode choisie, la base de données NASA/IPAC emploie trois méthodes pour déterminer la distance d'une galaxie, qui est nécessaire au calcul de sa taille. La première pour un décalage vers le rouge z inférieure à 0,5, la deuxième pour z ≥ 0,5 et une troisième méthode pour les galaxies dont la distance a été déterminée par des méthodes indépendantes du décalage, ce qui est le cas pour une minorité d'entre elles.
Étymologie vignette|gauche|La Voie lactée (notre galaxie) et son centre galactique (au centre) vus depuis la planète Terre, située dans son bras d'Orion. Le mot galaxie provient du latin galaxias, lui-même issu du terme grec désignant notre propre galaxie, , « laiteux », sous-entendu , « cercle », dérivé du nom , « lait »... On trouve aussi en grec ancien , « le cercle de lait » Henry George Liddell et Robert Scott, A Greek-English Lexicon. Revised and augmented throughout by Sir Henry Stuart Jones with the assistance of Roderick McKenzie, Oxford, Clarendon Press. 1940, articles « γαλαξίας » et « γάλα »., ou encore , à cause de son apparence dans le ciel. Dans la mythologie grecque, Zeus plaça son fils Héraclès, né de son union avec la mortelle Alcmène, sur le sein de son épouse Héra lorsqu'elle était endormie afin que le bébé devienne immortel en buvant son lait divin. Lorsque celle-ci se réveilla, elle se rendit compte qu'elle allaitait un bébé inconnu qu'elle repoussa, et un jet de lait aspergea le ciel, formant cette pâle bande lumineuse appelée « Voie lactée ».
Dans la littérature astronomique, le mot « Galaxie » muni d'un G majuscule se réfère à notre propre galaxie, la Voie lactée, afin de la distinguer des autres galaxies.
Avant la mise en évidence des galaxies, était employé le terme de « nébuleuse », qui décrivait tout objet diffus de la sphère céleste. Cette dénomination remonte à William Herschel, qui établissant son catalogue d'objets du ciel profond, utilisa le terme de « nébuleuse spirale » pour des objets tels que M31. Ceux-ci furent plus tard identifiés comme étant d'immenses agglomérations d'étoiles, et lorsque les distances entre elles commencèrent à être comprises, elles furent nommées « univers-îles ». Cependant, cette nomenclature tomba en désuétude au profit du terme « galaxie ».
Identification des galaxies vignette|gauche|Galaxie d'Andromède (M31). Des dizaines de milliers de galaxies ont été recensées, parmi d'autres objets, à travers de nombreux catalogues astronomiques, tels que le catalogue de Messier et le New General Catalogue, qui référencent également des nébuleuses, mais aussi plus spécifiquement les catalogues PGC, UGC, MCG, CGCG, IC Ainsi, la galaxie spirale barrée couramment appelée M109 est-elle également identifiée par les numéros , , , , Certaines galaxies remarquables ont reçu un nom d'usage (parfois plusieurs) couramment employé à la place des numéros d'identification, telles que par exemple la galaxie d'Andromède, les nuages de Magellan, les galaxies des Antennes, la galaxie du Tourbillon (également appelée galaxie des Chiens de Chasse), la galaxie du Sombrero
Ordres de grandeur Une galaxie typique comme la Voie lactée comprend quelques centaines de milliards d'étoiles et a une taille de l'ordre de (une année-lumière équivaut à environ de kilomètres). De façon remarquable, ces chiffres peuvent s'exprimer uniquement en termes de diverses constantes fondamentales. Plus précisément, un raisonnement simple permet de relier la taille d'une galaxie au phénomène d'instabilité gravitationnelle qui voit un objet plus dense que le milieu ambiant se contracter sous certaines conditions du fait de son propre champ gravitationnel. Cela se produit essentiellement quand un objet se refroidit brutalement, auquel cas sa pression baisse brutalement et ne peut plus contrer l'effet attractif de la gravité. Dans ce contexte, on prédit que la masse M et la taille R d'une galaxie sont vraisemblablement de l'ordre de :
, , où et représentent respectivement la constante de structure fine (électromagnétique) et la constante de structure fine gravitationnelle, et et la masse du proton et de l'électron, respectivement.
Il faut plus de dix milliards d'années pour que la lumière des plus lointaines galaxies parvienne jusqu’à la Terre« Une galaxie lointaine observée grâce à un télescope gravitationnel », Ciel et Espace, 10 octobre 2008 (consulté le 31 août 2009)..
Historique des observations
Voie lactée vignette|gauche|La forme de la Voie lactée telle qu'elle fut déduite par William Herschel en 1785 ; on pensait que le Soleil était proche du centre de la Galaxie.
Dès l'Antiquité, les philosophes tentèrent de saisir la nature de la bande lumineuse connue sous le nom de Voie lactée. Le philosophe grec Anaxagore (500- ) la concevait comme .. De la même manière, Démocrite (450-) suggéra qu'elle était due à un grand nombre de petites étoiles.
Aristote, cependant, pensait que ce qu'on observait était la combustion d'une partie de l'air, enflammé par le mouvement des astres., impliquant donc qu'elle se trouvait dans la sphère sublunaire.
Geminos de Rhodes, probablement vers , décrit la Voie lactée comme
vignette|Le cœur (centre galactique) de la Voie lactée vu en infrarouge par le télescope spatial Spitzer de la NASA. L'astronome perse Al-Biruni (973 - ) réfuta lui aussi la proposition d'Aristote, en tentant de calculer la parallaxe de la Voie lactée, et en notant que puisqu'elle est nulle, elle doit se trouver à grande distance de la Terre, et donc hors de l'atmosphère. Il proposa également que la Voie lactée était une collection d'innombrables étoiles nébuleuses. Les preuves de cela vinrent en 1610, quand Galilée utilisa sa lunette astronomique pour étudier la Voie lactée et découvrit qu'elle était effectivement composée d'un nombre incalculable d'étoiles de faible éclat.. Thomas Wright, dans son ouvrage (1750), étudie la structure de la Galaxie et imagine qu’elle forme un nuage aplati. Dans un traité de 1755, Emmanuel Kant spécule à juste titre que notre galaxie pouvait être un corps en rotation d'un nombre incroyable d'étoiles tenues ensemble par des forces gravitationnelles, au même titre que le Système solaire. Le disque d'étoiles résultant peut être vu, en perspective, comme une bande dans le ciel, pour un observateur se trouvant en son sein. Kant avança également que quelques-unes des nébuleuses visibles dans le ciel nocturne pourraient être des galaxies..