AMAS DE LA CHEVELURE DE BÉRÉNICE

• Les élèves découvriront les notions de base de la classification des galaxies au travers de données astronomiques concrètes émanant du télescope spatial Hubble. La classification est une pratique scientifique fondamentale dans une multitude de domaines scientifiques. En répartissant une grande diversité d’objets dans un nombre restreint de catégories, il est plus facile d’observer les caractéristiques partagées par plusieurs objets, et d’étudier les propriétés d’objets représentatifs plutôt que les propriétés de chaque objet séparément.

• Les élèves étudieront la « relation morphologie-densité » et ils élaboreront des hypothèses sur les causes de ce phénomène.

• Les élèves seront en mesure de classifier différents types de galaxies en fonction d’images astronomiques.

• Les élèves sauront expliquer l’importance de la classification des objets.

• Les élèves proposeront des hypothèses expliquant les différentes formes des galaxies.

• Les élèves s’exerceront à poser des questions et à planifier des investigations.

• Les élèves discuteront de l’existence d’environnements physiquement différents de la galaxie dans laquelle nous vivons au sein de l’univers, des interactions entre les galaxies, et du lien entre l’environnement et la morphologie des galaxies (appelé « relation morphologie-densité »).

• Les élèves échafauderont des hypothèses sur la cause de la relation morphologie-densité.

L’enseignant pourra discuter des réponses avec les élèves et les encourager à partager leurs calculs portant sur les différents types de galaxies du champ ou d’amas, mais aussi leurs réponses à la question finale sur la relation morphologie-densité.

La compréhension des élèves peut être évaluée au moyen d’une discussion décrite dans le cadre de l’activité, et de la collecte de textes qui feront l’objet d’une notation. Étant donné que ces activités mesurent la compréhension des élèves, il est inutile de procéder à des tâches d’évaluation supplémentaires. Voici la notation suggérée :

Notation suggérée

• Tableau 1 : 5 points : les élèves fournissent des explications claires sur le schéma de classification qu’ils ont créée.

• Tableau 2 : 2 points par ligne - Réponses (E/S0/SB0 - 2, 6, 9), (S - 1, 8, 12), (SB - 3, 4, 10) et (IR - 5, 7, 11).

• Tableaux 3, 4 et 5 (comptage des galaxies) : non soumis à notation - reposent sur l’interprétation subjective de l’élève.

• Tableau 6 et calculs : 30 points : la notation porte sur la réalisation de l’exercice, et non l’exactitude des résultats obtenus. Les élèves trouveront des chiffres différents, mais le raisonnement mathématique doit être correct. Les réponses liées aux pourcentages sont généralement comprises dans la plage suivante : (Amas : E 50 %, L 30 %, S 20 %) (Champ : E 20 %, L 10 %, S 70 %). Les élèves trouvent souvent un pourcentage plus élevé de spirales dans le champ.

Hypothèse : 30 points : l’hypothèse des élèves doit mentionner les effets des interactions et du balayage par pression dynamique qui transforment d’anciennes spirales riches en gaz en galaxies elliptiques et lenticulaires pauvres en gaz et regroupées dans des amas.

• Image de 40 galaxies.
• Galaxy Cards (Fiches sur les galaxies) - A à D.

Classification des galaxies

Les astronomes classent les galaxies en trois grandes catégories selon leur apparence : galaxies elliptiques, galaxies spirales et galaxies irrégulières. Edwin Hubble est le premier à avoir proposé ce schéma de classification. Il pensait à l’origine que la progression évolutionnaire des galaxies pouvait être représentée sous la forme d’une séquence « en diapason ». Ce concept s’est révélé faux, mais les astronomes utilisent toujours ces catégories et ces étiquettes générales pour décrire les galaxies.

Principaux types de galaxies

Elliptique (E), Lenticulaire (S0), Lenticulaire barrée (SB0), Spirale (S), Spirale barrée (SB) et Irrégulière (IR). Des informations complémentaires sont disponibles dans la section de description de l’activité.

Catégorie de galaxies supplémentaire

Interaction : deux galaxies au moins sont si proches que leur forme s’en trouve affectée.

Données fournies dans cette activité

Les données utilisées dans cette activité sont les données du télescope spatial Hubble concernant la Chevelure de Bérénice. Elles ont été enregistrées en 2006 à l’aide de la caméra ACS (Advanced Camera for Surveys) du télescope spatial Hubble.

Environnements des galaxies

Les galaxies sont présentes dans tout l’univers et elles évoluent dans une grande diversité d’environnements. Les galaxies peuvent apparaître en amas, en groupes ou isolées.

Groupes

Les galaxies se retrouvent parfois en plus petit nombre : cet ensemble prend alors le nom de « groupe ». Les groupes renferment seulement quelques galaxies. Par exemple, le Groupe local contient notre Voie lactée et nos voisines les plus proches, à savoir le Grand Nuage de Magellan et Andromède, ainsi qu’une dizaine de galaxies plus petites.

Champ

Les galaxies peuvent également être isolées et éloignées les unes des autres dans le champ. Ce sont les galaxies du champ.

Amas

Un amas de galaxies désigne une grande structure dans l’univers, composée de centaines ou de milliers de galaxies liées de manière gravitationnelle. Les très nombreuses galaxies d’un amas se présentent dans un même ensemble, comme la Chevelure de Bérénice. Les amas constituent certaines des structures les plus vastes et les plus denses de l’univers. Les amas, les groupes et certaines galaxies isolées peuvent faire partie de structures encore plus vastes, appelées « superamas ». Aux plus grandes échelles de l’univers visible, les superamas sont rassemblés en filaments et en murs entourant de grandes zones de vide. Cette structure est souvent appelée « toile cosmique ».

Les élèves commenceront par étudier les images de 40 galaxies afin de se familiariser avec la naissance et la forme des galaxies. Ils aboutiront à leur propre schéma de classification des galaxies, puis analyseront et exploreront la manière dont les astronomes classent réellement les galaxies en quatre grands groupes.

Étape 1

Ce que vous devez dire aux élèves : Le schéma ci-dessus présente une mosaïque de 40 galaxies. Ces images ont été prises avec le télescope spatial Hubble et illustrent toutes les formes que peut prendre une galaxie. Lorsque l’astronome Edwin Hubble a commencé à étudier ces différents types de galaxies dans les années 1920, il a développé un moyen de les organiser et de les classer. En effet, il a établi un schéma de classification dans lequel il a regroupé les galaxies similaires.

Vous devez faire la même chose. Dans le tableau suivant, imaginez vos propres types de galaxies, décrivez chacun de ces types et fournissez trois exemples pour chaque type de galaxies.

Remplissez le tableau de la fiche de travail.

Étape 2

Discussion :

Demandez aux élèves de partager leurs schémas de classification. Vous pouvez aborder les points suivants :

• Quelles sont les similitudes flagrantes entre les schémas ?

• Les différences flagrantes ?

• Arguments de classification concernant des galaxies spécifiques ?

• Pourquoi les élèves ont-ils décidé de concevoir leurs schémas de cette manière ?

• Pourriez-vous établir d’autres types de schémas complètement différents, par exemple si vous disposiez de données différentes sur les mêmes galaxies ?

• Pourquoi est-ce important (ou non) de classer les objets que nous découvrons ?

• Les schémas de classification peuvent-ils changer au fil du temps ?

Ces points de discussion peuvent être abordés une nouvelle fois au cours de l’activité. (Plusieurs élèves proposeront sans doute des schémas de classification reposant sur la forme, mais dans le cas contraire, après avoir discuté des schémas suggérés, encouragez-les à proposer d’autres schémas reposant sur la forme.)

Invitez les élèves à faire leurs observations et à répondre aux questions en fonction de leur analyse de l’image jusqu’à présent, à discuter en petits groupes et à mettre leurs idées par écrit. Pour eux, l’objectif consiste à se demander : « Pourquoi les galaxies ont-elles des formes différentes ? ». Conviez ensuite les élèves à discuter et à noter leurs questions et leurs hypothèses sur les raisons pour lesquelles les galaxies ont des formes différentes, par exemple :

• Les galaxies sont-elles nées sous différentes formes, ou sont-elles nées sous la même forme pour évoluer vers des formes différentes ?

• Quelles sont les différentes histoires possibles des galaxies (qui pourraient notamment affecter leur forme) ? (Encouragez les élèves à développer l’idée d’interactions entre les galaxies.)

• L’évolution de la forme d’une galaxie peut-elle être due à des processus internes ou externes (par exemple, un élément, quel qu’il soit, ayant affecté toutes les galaxies au fil du temps ou un phénomène engendré par une interaction avec une autre galaxie) ?

• Les différentes formes des galaxies peuvent-elles être liées à leur taille au moment de leur naissance ?

• Les formes que nous observons sont-elles transitoires ou durables ?

Lorsque les élèves réfléchissent à toutes ces idées, encouragez-les à discuter de la manière dont ils pourraient mener leurs investigations pour répondre à ces questions. (Certains élèves penseront sûrement que les interactions avec d’autres galaxies pourraient être importantes, et que l’observation de régions comportant de nombreuses galaxies et donc de nombreuses interactions pourrait être un terrain d’investigation intéressant.

Qu’ils aient ou non cette idée, la discussion précédente leur permettra de mieux se positionner par la suite.)

Étape 3

Ce que vous devez dire aux élèves : Les astronomes ont développé leur propre schéma de classification des galaxies, selon la forme des galaxies (souvent appelée « morphologie »). Les définitions des principaux types de galaxies utilisées par les astronomes sont répertoriées ci-dessous. En vous appuyant sur ces définitions, attribuez à chacune des 12 galaxies présentées dans l’image ci-dessus la catégorie couramment utilisée correspondante. Remplissez le tableau de la fiche de travail.

Remarque : les petites galaxies sont souvent appelées « galaxies naines » (par exemple, galaxies n° 5 et n° 7). Elles comptent seulement quelques milliards d’étoiles… une broutille par rapport aux 200 milliards d’étoiles de la Voie lactée. Les galaxies elliptiques les plus vastes comptent quant à elles plusieurs trillions d’étoiles.

Discussion : Comment le schéma de classification utilisé par les astronomes peut-il être comparé aux schémas de classification imaginés par les élèves ?

Étape 4

Ce que vous devez dire aux élèves : Utilisez l’image et les instructions ci-dessous pour décider de la manière dont vous allez identifier et compter les galaxies.

Instructions :

• I) Elliptique ou lenticulaire : il peut être difficile de faire la distinction. Si vous savez qu’il s’agit soit d’une galaxie E, soit d’une galaxie S0/SB0, vous pouvez tenter de deviner.

• II) Spirale et spirale barrée : il peut être difficile de faire la distinction. Si vous savez qu’il s’agit soit d’une galaxie S, soit d’une galaxie SB, vous pouvez tenter de deviner.

• III) Galaxie irrégulière.

• IV) Incertitude : vue latérale d’une galaxie qui peut être de type S0, SB0, S, SB ou IR. Il y a trop de possibilités : ne les comptez pas.

• Star (Étoile)) tout objet doté de « pointes » qui partent de son cœur représente une étoile de premier plan de la Voie lactée : ne les comptez pas.

• ?) Ne comptez pas les petits objets à peine visibles : ils sont trop difficiles à classer.

Étape 5

Téléchargez les images Galaxies Cards (Fiches sur les galaxies) - A à D pour compter les types de galaxies observés sur chaque image. Comptez le nombre de galaxies de chaque type morphologique et notez ce chiffre dans l’emplacement correspondant du tableau.

Étape 6

Ce que vous devez dire aux élèves : Les galaxies sont disséminées dans tout l’univers, de nos plus proches voisines (le Grand Nuage de Magellan et Andromède) jusqu’aux confins de l’univers visible à 13 milliards d’années-lumière. Les galaxies évoluent dans divers environnements. Parfois, de nombreuses galaxies sont regroupées en amas, comme la Chevelure de Bérénice, ou en plus petits ensembles appelés « groupes », comme le Groupe local qui comporte la Voie lactée. Les galaxies peuvent aussi être isolées et très éloignées les unes des autres dans le champ. Le tableau ci-dessous présente les différentes propriétés des types d’environnements des galaxies.

À l’étape précédente, les images A et C des Galaxy Cards (Fiches sur les galaxies) montrent le noyau dense et central de la Chevelure de Bérénice, tandis que les images B et D montrent des galaxies qui se trouvent dans le champ. (Remarque : les astronomes utilisent parfois le terme « champ » pour désigner la zone située en dehors des amas de galaxies.) Complétez les tableaux à l’aide des chiffres que vous avez notés lors de l’étape 5.

Reportez-vous aux tableaux de la fiche de travail.

Étape 7

Demandez aux élèves de réfléchir et de discuter par petits groupes : Quelles tendances notez-vous dans les données que vous avez analysées ci-dessus ? Remarquez-vous quelque chose de spécial concernant l’emplacement où les différents types de galaxies ont tendance à se trouver ? (Question supplémentaire : Avez-vous tendance à observer davantage de spirales dans l’amas dense ou dans le champ ? Qu’en est-il des ellipses ?) Les élèves doivent remarquer que les galaxies spirales sont plus courantes dans le champ, tandis que les galaxies elliptiques sont plus courantes dans les amas denses. Question de suivi : Cela vous semble-t-il surprenant ? L’objectif ici consiste à amener les élèves à se demander : « Pourquoi le nombre de galaxies spirales (ou de galaxies elliptiques) dépend-il de l’emplacement des galaxies ? ».

Invitez les élèves à discuter et à mettre leurs hypothèses par écrit à propos de l’influence de l’emplacement d’une galaxie sur son type. Demandez aux élèves comment ils pourraient approfondir leurs idées : Quelles prédictions leurs hypothèses entraînent-elles ? Quelles observations ou informations supplémentaires souhaiteraient-ils avoir ? Comment pourraient-ils quantifier cette tendance en se servant des données dont ils disposent ?

Étape 8

Les étapes suivantes expliquent comment les élèves peuvent étudier cette tendance, tout d’abord en la quantifiant, puis en lisant des informations complémentaires sur la formation et l’évolution des galaxies. Vous pouvez leur dire exactement quoi faire, comme indiqué ci-dessous. Mieux encore, faites-les discuter par petits groupes afin qu’ils décident de la manière dont étudier la question, à commencer par la quantification de la tendance, puis l’identification de la procédure à suivre pour réaliser les calculs ci-dessous.

À l’aide d’une calculatrice, trouvez le pourcentage de chaque type de galaxies dans un amas et dans le champ (ne tenez pas compte des IR et des INT).

Utilisez les chiffres que vous avez reportés dans le tableau ci-dessus pour calculer les pourcentages et remplissez les blancs ci-dessous :

Dans l’amas : Pourcentage de galaxies elliptiques (e/h) = __ %

Pourcentage de galaxies lenticulaires (f/h) = __ %

Pourcentage de galaxies spirales (g/h) = __ %

Dans le champ : Pourcentage de galaxies elliptiques (i/m) = __ %

Pourcentage de galaxies lenticulaires (j/m) = __ %

Pourcentage de galaxies spirales (k/m) = __ %

Question : Où avez-vous constaté un pourcentage plus élevé de spirales : dans l’amas ou dans le champ ? Réponse : _

Ce que vous devez dire aux élèves : Les pourcentages que vous venez de calculer nous montrent les types de galaxies les plus courants dans la Chevelure de Bérénice et dans le champ.

Les astronomes ont procédé à la même expérience sur des centaines de milliers de galaxies dans l’univers proche, et ils ont découvert que les pourcentages suivants étaient assez habituels :

• Dans les amas denses, 40 % des galaxies sont elliptiques, 50 % sont lenticulaires et 10 % sont spirales.

• Dans le champ, 10 % des galaxies sont elliptiques, 10 % sont lenticulaires et 80 % sont spirales.

Lorsque des galaxies sont très proches l’une de l’autre, elles sont plus souvent elliptiques ou lenticulaires. Mais lorsque les galaxies sont éloignées, elles sont plus souvent de type spirale. Les astronomes appellent ce phénomène « relation morphologie-densité ». Ce concept signifie de manière globale que dans les voisinages de galaxies denses, comme les amas, les galaxies ne sont pas du même type que dans les zones ouvertes, comme le champ.

Étape 9

À présent (et ce, depuis l’étape 7), les élèves se posent probablement la question suivante : « Pourquoi voyons-nous davantage de galaxies elliptiques et lenticulaires dans les amas, et davantage de spirales dans le champ ? ». (Cette question peut également être formulée de la manière suivante : « Pourquoi observons-nous la relation morphologie-densité ? ».) Ils doivent aussi avoir réfléchi au rôle des interactions, et peut-être imaginé que les interactions étaient plus nombreuses dans les environnements plus denses, comme le centre d’un amas.

Voici quelques informations utiles pour répondre à cette question. Vous pouvez donner à vos élèves ce texte à lire, puis leur demander d’en discuter et de rédiger une explication de cette relation. Ou vous pouvez continuer à demander à vos élèves de réfléchir entre eux et de discuter de leurs propres hypothèses, puis éventuellement de les amener à faire des recherches dans des manuels/sur Internet de manière individuelle ou par petits groupes, puis à partager leurs résultats avec les autres élèves.

Explication :

De nombreuses galaxies contiennent ce que les astronomes appellent « gaz », qui désigne généralement le gaz d’hydrogène, parfois mélangé aux gaz d’autres éléments, et aussi à de la poussière. Les nuages gazeux peuvent s’effondrer sous l’effet de la gravité, ce qui entraîne la formation des étoiles. Les astronomes ont observé de nombreuses galaxies spirales (S et SB) et ils ont découvert que la plupart de ces galaxies contiennent beaucoup de gaz et sont actuellement en train de former une multitude de nouvelles étoiles. Les galaxies elliptiques et lenticulaires (E, S0 et SB0) sont pauvres en gaz et n’entraînent pas la formation de beaucoup d’étoiles.

Les galaxies très proches les unes des autres, comme celles des amas, subissent souvent un grand nombre d’interactions violentes. Lorsqu’une galaxie spirale riche en gaz interagit avec une autre galaxie, elle a tendance à utiliser rapidement la plupart de son gaz pour former de nouvelles étoiles, laissant ainsi une faible quantité de gaz. Les interactions entre galaxies transforment souvent des galaxies riches en gaz en galaxies pauvres en gaz. De nombreuses galaxies lenticulaires sont les restes d’anciennes spirales ayant perdu leur gaz, et beaucoup de galaxies elliptiques résultent de la collision entre plusieurs galaxies spirales.

Les amas de galaxies sont généralement remplis de beaucoup de gaz extrêmement chaud qui s’étend entre les galaxies dans tout l’amas. Or, il n’y a pas de gaz chaud dans le champ. Lorsque le rayonnement émis par ce gaz chaud atteint une galaxie spirale, il dépouille la galaxie spirale de son gaz plus froid à l’occasion d’un phénomène appelé « balayage par pression dynamique ». Ce processus transforme rapidement une galaxie spirale riche en gaz en galaxie lenticulaire pauvre en gaz. Les galaxies spirales ont du mal à survivre dans un environnement gazeux très chaud.

Comme vous pouvez le constater, les galaxies évoluent au fil du temps, et celles que nous observons dans l’univers proche aujourd’hui ont déjà une histoire très longue.

Activité complémentaire

Une fois que les élèves connaissent les différentes formes des galaxies, ils peuvent apporter leur contribution à un véritable projet de recherche scientifique en explorant le programme scientifique citoyen Galaxy Zoo : http://www.space-awareness.org/fr/games/galaxy-zoo/

Space Awareness curricula topics (EU and South Africa)

Our wonderful Universe, Galaxies

National Curricula USA

Next Generation Science Standards, content Standard in 9-12 Science as Inquiry (Abilities necessary to do scientific inquiry, Unders and Content Standard in 9-12 Earth and Space Science (Origin and evolution of the universe)

National Curricula UK

GCSE, KS3 ,A level: Physics - Edexcel; OCR A; WJEC