Qu'est-ce qu'un Galaxie spirale ?
Une galaxie spirale est un disque aplati et tournant de centaines de milliards d'étoiles, parcouru de gaz et de poussière et marqué de bras brillants s'enroulant depuis un bulbe central. Environ deux tiers des grandes galaxies ont cette forme, et la Voie lactée en fait partie.
Les bras ne devraient pas exister, et comprendre pourquoi ils existent a pris des décennies. Un disque galactique ne tourne pas comme un solide : les régions internes bouclent une orbite bien plus vite que les externes. Tout motif fait d'un ensemble fixe d'étoiles serait donc enroulé en une spirale serrée et méconnaissable en deux ou trois rotations — et les galaxies en ont accompli des dizaines. C'est le problème de l'enroulement, et sa résolution, établie par Bertil Lindblad puis développée par C. C. Lin et Frank Shu, est que les bras ne sont pas faits d'étoiles particulières. Ce sont des ondes de densité : un motif d'endroits où les orbites se resserrent, qui reste en place pendant que les étoiles le traversent, comme un embouteillage reste au même endroit d'une autoroute tandis que les voitures le traversent une à une.
Cette traversée compte. Le gaz qui entre dans un bras est comprimé, et la compression est précisément ce qui fait basculer un nuage moléculaire dans l'effondrement — la formation d'étoiles se produit donc préférentiellement dans les bras. Les étoiles bleues massives y naissent et y meurent, en quelques millions d'années, sans jamais s'éloigner de leur lieu de naissance. C'est toute la raison de la visibilité des bras : non parce qu'ils contiennent plus d'étoiles, mais parce qu'ils contiennent les plus brillantes. Retirez la lumière bleue, et les bras disparaissent presque.
Ce modèle est bâti sur les orbites, pas sur la spirale. Chacun des dizaines de milliers de points suit sa propre ellipse, réévaluée à chaque image, et l'orientation de ces ellipses avance lentement avec le rayon. Là où les ellipses se resserrent, des bras apparaissent — et ils restent en place tandis que les étoiles les traversent, car c'est cela, une onde de densité. Arrêtez l'horloge : les bras sont toujours là. La vitesse angulaire décroît aussi à peu près en 1/r, la courbe de rotation plate qui constitue la preuve la plus importante en faveur de la matière noire.