Le blog de cepheides

Publié le 15 Octobre 2020 par Céphéides

Publié dans : #astronomie

DE L'ASTRONOMIE : la galaxie d'Andromède M31

Il existe dans l’univers connu des millions de groupes de galaxies renfermant chacun des dizaines, voire des centaines de galaxies. Dans chaque groupe, ces objets gigantesques sont liés par leurs forces gravitationnelles qui tendent à les faire se rapprocher les uns des autres. En revanche, les distances entre groupes étant démesurées, la gravitation s’efface alors en raison de l’expansion de l’Univers : c’est la raison pour laquelle les groupes galactiques s’écartent inexorablement les uns des autres.

Il n’est donc pas étonnant de voir s’éloigner de nous toutes les galaxies, à l’exception bien sûr de celles contenues dans notre propre groupe baptisé groupe local. Ce dernier est composé d’une soixantaine de galaxies et, parmi elles, les plus grosses sont la Voie lactée (voir sujet) et surtout la galaxie d’Andromède, également connue sous le sigle M 31 (ou NGC 224). C’est cette dernière que nous allons évoquer dans ce sujet.

Le temps des nébuleuses

Jusqu’à un passé récent (début du XXème siècle) les scientifiques étaient tous persuadés qu’il n’existait qu’une seule galaxie – la nôtre – représentant tout l’univers. De ce fait, les quelques galaxies extérieures qu’on devinait sous la forme de faibles taches lumineuses étaient appelées des nébuleuses (et donc jugées internes à la Voie lactée) et c’était précisément la cas de la plus visible d’entre elles, Andromède. On voit encore dans certains livres d’astronomie un peu anciens l’appellation de « grande nébuleuse d’Andromède », un terme évidemment impropre.

Il faudra attendre les années 1920 pour que Edwin Hubble remette les pendules à l’heure (voir le sujet) par ses observations effectuées grâce au grand télescope (pour l’époque) du mont Wilson, aux USA. À la suite des travaux d’Henrietta Leavitt (1868-1921) qui les mit la première en évidence, il s’intéressa en effet à un groupe bien particulier d’étoiles

peuplant ces « nébuleuses », les céphéides, dont la variation d’éclat régulière lui permit d’évaluer leur distance : pour Andromède, il arriva au chiffre de 900 000 années-lumière (la galaxie est en réalité située à 2,5 millions d’années-lumière) ce qui la situait bien trop loin pour appartenir à notre propre galaxie. Dès lors, il devint clair que la Voie lactée n’était qu’une galaxie parmi d’autres et que l’univers était bien plus vaste que ce que l’on avait imaginé jusqu’alors.

Observant par la suite d’autres galaxies lointaines, il put démontrer que si quelques unes d’entre elles, à l’instar d’Andromède, se rapprochent de nous (décalage spectral vers le bleu), l’immense majorité de ces objets s’éloignent en fait de la Voie lactée (décalage spectral vers le rouge) et ce d’autant plus vite qu’elles sont déjà le plus éloignées. Ce qui, au passage, permettait d’affirmer l’expansion de l’univers…

Une galaxie comme les autres ?

Il existe différents types de galaxies, nous l’avons déjà évoqué (voir sujet). La galaxie d’Andromède M31, comme la Voie lactée, est une galaxie spirale mais, à la différence de la nôtre, elle n’est pas – du moins en apparence - barrée. Rappelons pour mémoire qu’une galaxie « barrée » voit ses bras spiraux émerger non pas de son centre mais d’une bande d’étoiles plus ou moins large traversant ce centre. Ce phénomène de barre qu’on

retrouve pour les 2/3 environ des galaxies spirales est supposé dépendre d’une augmentation locale de densité irradiant du centre et modifiant les orbites des étoiles les plus centrales : les scientifiques associent en tout cas ce phénomène de barre à une plus grande production de nouvelles étoiles. Et, de fait, si l’on compare le taux de formation stellaire des deux galaxies, la Voie lactée crée près de cinq fois plus d’étoiles que M31 avec un taux de supernovas deux fois supérieur. On peut dès lors penser que Andromède est actuellement en état de repos, du moins de ce point de vue.

Pour être complet, signalons que des études récentes d’Andromède dans le domaine infrarouge ont suggéré qu’elle possède peut-être quand même une barre centrale qui serait vue depuis la Terre dans le sens de la plus grande longueur mais ces observations n’ont pour le moment pas encore été confirmées.

Une structure presque classique

Située à 2,5 millions d’années-lumière de nous, Andromède est une galaxie très riche en étoiles puisqu’elle en renferme près de mille milliards (contre « seulement » 200 milliards environ pour la Voie lactée) et s’étend sur près de 220 000 années-lumière (contre environ 80 000 années-lumière pour la nôtre) Toutefois, les analyses les plus récentes nous expliquent que sa masse totale ne représente que les 2/3 de celle de notre galaxie : on suppose que la différence entre les deux est la possible plus grande quantité de matière noire entourant (?) la Voie lactée, cette matière noire qui n’a jamais pu être directement objectivée. Comme on peut le voir, rien n’est donc encore vraiment sûr.

Puisque plus riche en étoiles, Andromède présente logiquement une luminosité de 25% supérieure à celle de notre galaxie mais, comme on l’a déjà dit, le taux de naissance stellaire étant plus élevé chez elle, la Voie lactée rattrape lentement sa grande voisine.

Structure « presque » classique avons-nous écrit car, effectivement, le bulbe d’Andromède est quelque peu particulier : son centre est très compact mais, surtout, abrite une combinaison double. La structure stellaire la plus dense

double noyau de la galaxie d'Andromède (cliché Hubble)

(appelée P1) est à l’écart du centre proprement dit (P2) moins brillant. Comme ce P2 renferme un trou noir supermassif (40 fois la masse de Sagittarius A qui trône au centre de la Voie lactée), peut-être cette situation inhabituelle est-elle en rapport avec sa présence mais, à l’évidence, le phénomène est pour l’heure encore mal compris.

Le disque d’Andromède est lui aussi quelque peu différent de celui de notre galaxie. En effet, si au travers d’un télescope optique, tout semble habituel, la situation est différente en observation infrarouge. Avec cette technique, on arrive à visualiser des anneaux concentriques – au moins deux – dont les centres paraissent décalés par rapport au centre véritable de la galaxie. Pourquoi ces anneaux ne sont-ils pas visibles en lumière normale ?

Probablement parce qu’ils sont essentiellement composés de poussière froide qui ne rayonne pas aux longueurs d’onde visible. Cette anomalie est vraisemblablement en rapport avec la proximité d’une petite galaxie satellite (M 32) capturée par Andromède il y a un peu plus de 200 millions d’années mais nous y reviendrons.

Enfin, troisième différence avec la Voie lactée, le disque galactique de M 31 n’est pas plan mais en partie torsadé et, ici aussi, ce sont de petites galaxies satellites (notamment celle du Triangle) qui sont responsables du phénomène.

Deux bras spiraux sont nettement visibles et si, dans un premier temps, on les croît enroulés étroitement auprès du bulbe, une étude plus approfondie nous apprend qu’ils sont en réalité plus espacés que ceux de notre galaxie.

À distance, on trouve bien entendu le halo galactique qui est, de loin, le plus vaste objet de notre ciel nocturne mais n’est tout simplement pas visible : il s’étend sur plus de 1,3 millions d’années-lumière à partir du centre, soit à peu près à mi-chemin de notre galaxie : le halo d’Andromède se heurte en réalité au halo de la Voie lactée…

Il renferme plus de 450 amas globulaires associés à la galaxie géante.

Mayall 2 — Andromède : amas globulaire Mayall II

L’un d’entre eux est d’ailleurs si brillant (car incluant plusieurs millions d’étoiles) que les scientifiques pensent qu’il s’agirait en fait du noyau d’une galaxie naine dont les strates extérieures ont depuis longtemps été incorporées à la géante. Au total néanmoins, et toutes proportions gardées, il est logique de penser que la galaxie d’Andromède et la Voie lactée ont connu une évolution comparable.

Ces différences somme toute mineures avec la Voie lactée nous confirment que si les galaxies ont des structures globalement identiques, chacune d’entre elles a une vie propre qui les distingue les unes des autres.

Le cannibalisme d’Andromède

Nous venons d’évoquer les irrégularités de la structure de la galaxie d’Andromède que nous avons rattachées à son appétit pour certaines de ses voisines. Il paraît donc intéressant de se pencher sur le passé assez torturé de notre grande voisine et sur ses satellites, notamment la galaxie elliptique M32 qui offre un aspect plutôt inhabituel. Mais qu’est-ce qu’une galaxie elliptique ?

Longtemps, avec Edwin Hubble, les scientifiques ont pensé qu’une galaxie elliptique était le stade précoce des galaxies : renfermant des milliards d’étoiles à la manière d’un amas globulaire fermé (mais à une échelle bien plus grande),

elles possèdent un centre très compact, très riche en étoiles mais dont la densité diminue progressivement au fur et à mesure qu’on s’éloigne du centre. À la différence d’une spirale, une elliptique ne tourne pas sur elle-même et, du coup, le mouvement de ses étoiles est aléatoire, au gré des forces gravitationnelles de proximité. Pauvre en gaz et en matière, elles ne forment presque pas de nouvelles étoiles et ne sont donc constituées que de vieille étoiles rouges de type II et de naines blanches. Ces caractéristiques ont finalement amené les astronomes à reconsidérer l’hypothèse de Edwin Hubble et pensent à présent que, bien au contraire, il s’agit ici d’un stade avancé de sénescence galactique, vraisemblablement dû à la fusion de deux galaxies spirales.

Revenons donc à M32, une galaxie « elliptique » bien particulière. Elle est en effet bizarre : sa population stellaire est assez variée et, bien qu’elle soit compacte comme une elliptique (c’est une des galaxies les plus compactes

de l’univers observable), elle possède en réalité un nombre non négligeable d’étoiles jeunes au sein d’une population composée de vieilles étoiles jaunes ou rouges. Elle ne possède effectivement pas de gaz et de poussière interstellaires. Alors une galaxie elliptique classique. ? C’est la proximité de la géante Andromède qui fait douter.

Nous avons évoqué plus haut les anneaux concentriques de M31, uniquement visibles en lumière infrarouge. Les scientifiques pensent aujourd’hui que ces perturbations du disque de la galaxie sont en rapport avec l’absorption des couches périphériques de M32. Ce phénomène de phagocytose galactique expliquerait du coup l’explosion de création d’étoiles survenue au sein d’Andromède il y environ deux milliards d’années, une séquence au cours de laquelle un cinquième de ses étoiles a vu le jour.

On sait que les galaxies de grande taille se sont formées par cannibalisme de galaxies plus petites se trouvant au sein d’un même groupe et qui, attirées par des forces de marée gravitationnelle gigantesques, se rapprochent de la plus grosse afin de se satelliser puis de se faire absorber. La galaxie d’Andromède est un bon exemple de ce type d’événements.

L’avenir du groupe local

Sous le coup des forces gravitationnelles, les groupes galactiques finiront tous par ne plus contenir qu’une seule galaxie géante, résultat de la fusion de toutes les galaxies locales. Le nôtre n’échappera pas à cet avenir certes lointain.

De fait, la galaxie d’Andromède se rapproche de nous. Sa vitesse a été calculée par l’étude spectrométrique de ses étoiles et l’évaluation de leur décalage vers le bleu. Il est à présent certain que les deux grandes galaxies du groupe local se rapprochent l’une de l’autre à la vitesse de 430 000 km/h, soit 120 km/s. Cette vitesse peut sembler relativement élevée mais l’espace est si vaste qu’il faudra environ 3 à 4 milliards d’années pour que le choc se produise. Inutile de préciser que, à cette date lointaine, l’Humanité aura depuis longtemps disparu.

La Voie lactée et Andromède commenceront par tourner l’une autour de l’autre avant de s’échanger gaz et étoiles ce qui durera environ sept milliards d’années. Toutefois, le vide interstellaire est si important qu’il est hautement improbable que les étoiles de l’une et de l’autre entrent en collision et cette fusion se fera donc sans dommages. En revanche, leurs nuages de gaz et de matière s’échaufferont suffisamment par endroit pour donner naissance à de gigantesques pouponnières de nouvelles étoiles. Le spectacle sera probablement féérique surtout vue de notre système solaire qui, s’il est toujours présent, sera relégué aux confins de la nouvelle galaxie spirale géante dont le nom est déjà trouvé : Mikomeda.

La Voie lactée et Andromède presque sœurs

Si ce n’est la taille, notre galaxie et Andromède semblent de structure assez voisine. Il reste néanmoins encore beaucoup à apprendre sur notre grande voisine d’autant que ce que nous en savons est en définitive assez récent : il faut se rappeler que la première observation d’étoiles distinctes dans la partie centrale de M 31 date de la deuxième guerre mondiale, une prouesse permise par le couvre-feu alors de rigueur à Los Angeles. Les nouveaux télescopes notamment spatiaux (on pense au télescope James Webb dont le lancement a eu lieu avec le succès que l'on sait en 2023) permettront d’en savoir plus.

Sources :