La Voie lactée rencontre Andromède

Comment notre galaxie et sa voisine géante pourraient fusionner en une seule, sur des milliards d'années

Étape par étape

Deux voisines géantes

Andromède est l'objet le plus lointain que la plupart des gens puissent voir à l'œil nu : par une nuit noire, c'est une tache pâle dans la constellation d'Andromède. La lumière que nous voyons l'a quittée il y a environ 2,5 millions d'années. Elle couvre six fois la largeur de la pleine Lune, même si l'œil n'en voit que le centre brillant.

Ce sont deux galaxies spirales : des disques plats d'étoiles et de gaz tournant autour d'un bulbe brillant, enveloppés d'un halo de matière noire bien plus grand. En comptant cette matière noire, chacune pèse environ mille milliards de Soleils. Le Soleil est marqué ici, à quelque 26 000 années-lumière du centre de notre galaxie.

Mesuré depuis la Terre

La lumière d'Andromède est décalée vers le bleu : elle vient vers nous à 301 km/s. L'essentiel vient du mouvement propre du Soleil autour de notre galaxie ; vers le centre de notre galaxie, Andromède se rapproche à environ 115 km/s.

La vitesse le long de notre ligne de visée se mesure facilement au décalage de la lumière d'une galaxie. Pas la vitesse à travers le ciel : à la distance d'Andromède, même 100 km/s de côté la déplacent de moins d'un millionième de degré par siècle. Hubble, puis le télescope spatial Gaia, ont mesuré cette dérive en suivant ses étoiles devant des galaxies bien plus lointaines pendant des années.

Cette vitesse de côté décide de tout. Si elle était nulle, les deux galaxies tomberaient droit l'une sur l'autre. Elle est faible mais pas nulle, et encore mal connue, si bien que personne ne peut dire avec certitude à quelle distance elles passeront. Voici Andromède telle que nous la voyons, son disque fortement incliné vers nous.

Pile ou face

Voici des dizaines d'avenirs que les mesures permettent, chacun le trajet d'Andromède pendant les 10 prochains milliards d'années. Dans environ la moitié, les deux galaxies fusionnent ; dans les autres, elles passent à distance et ne se retrouvent jamais.

En 2025, des astronomes ont suivi les 10 prochains milliards d'années du Groupe local dans des milliers de simulations, chacune partant de valeurs différentes dans les marges d'erreur des mesures : masses, distances et mouvements des galaxies. La Voie lactée et Andromède n'ont fusionné dans ce délai que dans environ la moitié d'entre elles, le plus souvent vers 7,6 milliards d'années d'ici.

Les deux plus grandes compagnes comptent aussi. La galaxie du Triangle, en tombant dans Andromède, rend une fusion plus probable ; le Grand Nuage de Magellan, dont l'orbite croise la leur à angle droit, la rend moins probable. L'histoire suit un avenir où elles fusionnent. De meilleures mesures, surtout du mouvement latéral d'Andromède, trancheront.

Une petite galaxie tombe

Le Grand Nuage de Magellan est à 160 000 années-lumière et se voit facilement à l'œil nu depuis l'hémisphère Sud. Avec sa matière noire, il a plus d'un dixième de la masse de la Voie lactée. En traversant le halo de notre galaxie, il laisse derrière lui un sillage de matière noire qui le retient : c'est la friction dynamique, le même frein qui amènera Andromède.

Les marées le déchirent pendant sa chute, et ses étoiles finissent dispersées dans la Voie lactée, comme le sont déjà celles de nombreuses petites galaxies avalées avant lui. Cette déchirure est dessinée ici : seules les simulations qui suivent l'attraction de chaque étoile sur toutes les autres peuvent la montrer en détail.

La compagne d'Andromède

La galaxie du Triangle est la troisième plus grande du Groupe local, une spirale d'un peu plus de la moitié de la largeur de la Voie lactée, à 2,8 millions d'années-lumière de nous. Comme Andromède, on peut tout juste la voir à l'œil nu sous un ciel très noir. Elle semble tomber vers Andromède pour la première fois.

Son attraction compte pour notre propre avenir. En tombant dans Andromède, elle la tire de côté, et dans les simulations de l'étude cela a rendu une fusion avec la Voie lactée plus probable. Ici aussi, la façon dont ses étoiles sont arrachées et dispersées dans Andromède est dessinée.

Le rapprochement

Temps accéléré : pendant des milliards d'années, les deux galaxies tombent l'une vers l'autre, de plus en plus vite, attirées par leur gravité mutuelle. Andromède grandit dans notre ciel nocturne.

L'essentiel de ce qui les attire est la matière noire : le halo de chaque galaxie pèse plusieurs fois ses étoiles et s'étend sur des centaines de milliers d'années-lumière. Quand les halos se chevauchent, ils se freinent l'un l'autre, et c'est ce qui ralentit assez les galaxies pour qu'elles fusionnent.

Depuis la Terre, Andromède paraîtrait de plus en plus grande et brillante jusqu'à couvrir une grande partie du ciel, son disque incliné comme nous le voyons aujourd'hui. D'ici là, pourtant, le Soleil aura changé : dans environ cinq milliards d'années, il commence à gonfler en géante rouge.

Le premier passage

Chaque galaxie attire plus fort la face proche de l'autre que sa face lointaine, et l'étire. Un disque est d'autant plus déchiré qu'il tourne dans le bon sens : celui d'Andromède tourne dans le même sens que leur orbite, si bien que ses étoiles externes sont entraînées et projetées au loin, tandis que celui de la Voie lactée, qui tourne en sens inverse, tient mieux.

Les galaxies traversent leurs halos de matière noire, qui les freinent et leur volent de la vitesse. Leurs étoiles ne se heurtent presque jamais : elles sont si éloignées que, même quand deux galaxies entières se chevauchent, une collision entre deux étoiles est extrêmement rare.

S'éloigner, et revenir

Sans le frein de leur matière noire, elles pourraient s'éloigner loin à nouveau. Avec lui, chaque passage enlève davantage d'énergie à leur orbite, si bien que le suivant arrive plus tôt et plus près. Dans les simulations de l'étude, la plupart des fusions ont eu lieu au deuxième passage.

Pendant ce temps, les disques agités se calment un peu, mais les étoiles projetées au premier passage continuent de s'éloigner et forment de pâles courants et coquilles autour des deux galaxies, comme ceux que les astronomes voient autour de nombreuses galaxies qui en ont rencontré une autre.

La fusion

Quand les galaxies fusionnent, l'attraction sur chaque étoile change vite et transforme leurs rotations ordonnées en boucles dans toutes les directions. Des nuages de gaz se heurtent et peuvent déclencher une flambée de nouvelles étoiles, et le gaz qui tombe au centre peut nourrir les trous noirs, qui finissent eux aussi par se rejoindre et fusionner.

Le trou noir de la Voie lactée, Sagittarius A*, pèse environ quatre millions de Soleils, et celui d'Andromède environ cent millions. La fin de la fusion est dessinée ici d'après ce que montrent les simulations complètes, car les étoiles montrées ne s'attirent pas entre elles.

Une seule galaxie

Quelques centaines de millions d'années plus tard, les deux sont devenues une galaxie ronde de vieilles étoiles, sans bras spiraux : une galaxie elliptique, parfois appelée Milkomeda.

Les galaxies elliptiques sont courantes parmi les plus grandes galaxies que nous voyons, et beaucoup se seraient formées lors de fusions comme celle-ci. Avec peu de gaz restant, peu d'étoiles naissent, et sur des milliards d'années la lumière de la galaxie rougit à mesure que ses étoiles bleues et brillantes s'éteignent.

Le Grand Nuage de Magellan et la galaxie du Triangle en font partie, et beaucoup des petites galaxies du Groupe local pourraient suivre. D'ici là, les galaxies extérieures au groupe se seront encore éloignées, emportées par l'expansion de l'univers.

Où finit le Soleil

Le Soleil survit à la fusion, comme presque toutes les étoiles. Dans cet avenir, il finit plus loin du centre de la nouvelle galaxie qu'il ne l'est aujourd'hui du centre de la nôtre.

Les simulations de la fusion s'accordent : le Soleil sera très probablement emporté plus loin, même si l'endroit exact est impossible à prédire. Les étoiles voisines ne s'approcheraient pas assez pour perturber les planètes : même pendant la fusion, les étoiles restent à des milliers de milliards de kilomètres les unes des autres.

D'ici là, le Soleil ne sera plus l'étoile qu'il est aujourd'hui. Dans environ 7,6 milliards d'années, il atteint sa taille maximale en géante rouge, puis rejette ses couches externes et devient une naine blanche, une braise pâle de la taille de la Terre, qui tourne toujours dans la nouvelle galaxie.