Une sœur de la Voie Lactée dévorée par Andromède

Crédit : Jean-Luc Dauvergne.
La galaxie d’Andromède (M31) est une galaxie spirale deux fois plus imposante que la nôtre. Durant sa jeunesse, elle a dévoré plusieurs de ses semblables laissant des victimes derrière elle. La petite galaxie M32 serait l’une d’entre elles.

La petite galaxie elliptique M32 qui gravite autour de la spirale Andromède (M31), a longtemps suscité les interrogations des astronomes. Comment cet objet compact et brillant ne ressemblant à aucun autre du Groupe Local a bien pu se former ? « Nous avons étudié la petite galaxie M32 durant très longtemps et elle restait toujours une énigme » affirme Richard D’Souza de l’Université de Michigan. Après un long travail, l’astronome américain, spécialiste des fusions galactiques, et son collègue ont réussi à percer le mystère de M32 : elle serait le cœur abandonné d’une galaxie spirale semblable à la Voie Lactée qui a subi l’appétit destructeur de sa compagne, M31. Plusieurs théories ont été proposées dans les années 1970, sans qu’aucune ne fasse l’unanimité « Nous ne savions rien sur les galaxies perturbées, les indices ce sont accumulés au cours du temps. » se rappelle Richard D’Souza. Mais l’intuition que M32 et M31 ont un passé commun est restée tenace. Ce sont des recherches conduites en février 2018 qui apportent la première pierre robuste à l’édifice de cette intrigue. Il a fallu attendre quelques mois de plus pour que l’histoire prenne enfin forme. Celle-ci dévoile le passé tumultueux d’Andromède qui, contrairement à la tranquille Voie Lactée, est une galaxie vorace qui a souvent dévoré ses voisines.

Baiser mortel

Nous voici 5 milliards d’années auparavant : la galaxie d’Andromède vient tout juste de fusionner avec une autre galaxie. Lors de cette rencontre, elles se sont intimement mélangées et M31 a acquis son bulbe galactique ainsi que son disque épais. La prochaine galaxie qui va rencontrer Andromède est déjà toute proche d’elle. Elle a été baptisé M32p et est très semblable à la Voie Lactée, bien que légèrement plus petite – elle contient moins d’étoiles et son trou noir central est également moins massif. Les deux compagnes s’apprêtent à vivre un drame, elles vont se heurter de plein fouet, précipitées l’une vers l’autre par la gravité. Plus scientifiquement, il s’agit d’une d’interaction majeure : « On parle d'interaction majeure à partir d'un rapport de masse de 1/3 » précise Françoise Combes. A partir de cet instant, le destin de M32p sera bouleversé à jamais, plus petite qu’Andromède, elle va subir la loi des forces de marées imposées par celle-ci. M32p est dépouillée d’une grande partie de sa matière, ses bras spiraux sont dévorés par Andromède qui ne lui laisse, au final, que son bulbe galactique et le trou noir qui l’anime. « Il n'y a pas eu fusion, puisque M32 est toujours la, en train d'orbiter autour de M31 » explique Françoise Combes. Cette rencontre a aussi eu pour effet « d’allumer » Andromède qui a connu, 3 milliards d’années après le début de l’interaction, une période de formation stellaire très intense : « Durant cet épisode, environ 1/5 des étoiles du disque galactique se sont formées » indique Richard D’Souza.

Une reconstitution historique

Pour construire cette histoire, les scientifiques se sont basés sur une observation de départ : pourquoi le disque galactique d’Andromède est-il si épais ? En février 2018, une étude propose un bout de réponse qui se trouverait dans les étoiles composant le disque : « Une des façons de comprendre ce phénomène est, qu’en général, un disque épais contient des étoiles rapides alors qu’un disque fin est plutôt constituer d’étoile froide et lente » explique Richard D’Souza. L’orbite rapide et dispersée de ces nouvelles étoiles va rendre le disque galactique plus épais qu’il ne l’était avant la fusion. Dans le disque d’Andromède, l’écart d’âge entre les étoiles jeunes et âgées est de deux milliards d’années, ce qui correspond à la temporalité du « sursaut d’étoile » induit par la fusion des deux galaxies. Dans ce scénario, les deux galaxies finissent par se mélanger totalement. Ainsi, selon celui-ci, la petite M32 ne devrait pas exister or elle est bien là. « Même si c’est une bonne preuve, elle n’est pas très convaincante car beaucoup de chose peuvent échouer dans les simulations. De plus déduire quelque chose de précis du disque galactique est assez compliqué » commente Richard D’Souza.

Lui propose de se placer du point de vue du gigantesque halo stellaire d’Andromède, qui est selon lui « un témoin fidèle de l’histoire des fusions de la galaxie ». En étudiant les parties les plus externes du halo, ils ont découvert une population d’étoile riche en métaux, c’est-à-dire en éléments plus lourd que l’hélium. La fameuse galaxie qui a fusionné avec M31 était donc riche en métaux. Il se trouve que M31 est entourée de structures ayant cette même caractéristique : la petite M32, le courant d’étoile qui les relie et la partie la plus interne de son halo stellaire. Richard D’Souza propose alors qu’elles soient en réalité les maigres restes d’un évènement cataclysmiques durant lequel M31 a rencontré une autre galaxie géante, M32p. Ce scénario a l’avantage de ne pas détruire complètement M32p et d’expliquer la formation de M32, le cœur isolé de cette géante disparue. « Ce scenario est intéressant, sans être unique, il y en a beaucoup » commente Françoise Combes. Elle-même et ses collaborateurs  avaient proposé une autre histoire où la galaxie progénitrice était plus grosse et où la collision se serait produit il y a 200 millions d’années. Selon elle : « Ce n'est pas incompatible avec le scenario de D'Souza, car M32 peut rencontrer M31 une deuxième fois. »

Image d'illustration de la galaxie M32p avant sa fusion avec la galaxie d'Andromède.
Le carré rouge montre le bulbe galactique de M32p qui forme aujourd'hui la galaxie elliptique M32.
Crédit : Richard D'Souza
La galaxie elliptique M32 photographié par Hubble.
Crédit : NASA and Thomas M. Brown, Charles W. Bowers,
Randy A. Kimble, Allen V. Sweigart (NASA Goddard Space Flight Center)
and Henry C. Ferguson (Space Telescope Science Institute).

Portrait du passé

Si M32p reste un objet théorique, ses caractéristiques n’ont pas été choisies au hasard et en cherchant bien, on peut trouver ses analogues dans l’univers. Elles ne sont que huit parmi toutes celles que nous connaissons à avoir la masse prédite par la simulation et un bulbe galactique très dense en étoile comme M32p. « Ce nombre faible explique aussi pourquoi les galaxies comme M32 sont si rares dans l’univers » explique D’Souza. En effet, M32 est classée comme galaxie elliptique, une famille de galaxie où des étoiles souvent âgées orbitent de façon aléatoire ce qui leur donne cet aspect sphéroïdal et diffus. De surcroit, elle est aussi dite « naine » : sa taille ne dépasse pas les 6 500 années-lumière. Sur toutes les galaxies répertoriées, seules 200 sont elliptiques.

Les huit galaxies que nous connaissons et qui ont les mêmes caractéristiques que M32p.
Crédit : Richard D’Souza

Rencontres galactiques

Evidemment, cette rencontre de grande ampleur n’est pas la seule à influencer le destin d’Andromède. Notre sœur galactique est accompagnée d’un chapelet de galaxie satellite avec lesquelles elle entre en contact régulièrement. « Depuis des dizaines d'années, beaucoup de scénarios ont été proposés pour les rencontres de M31 avec ses compagnons » constate Françoise Combes.

En comparaison à l’activité débordante d’Andromède, la Voie Lactée est plus timide. Sa dernière fusion importante remonte il y a bien plus longtemps : « La dernière fusion majeure remonte à 8 milliards d’années » précise Françoise Combes. Mais depuis, notre galaxie a connu une multitude de fusions mineures avec les petites galaxies qui l’entourent, comme la galaxie du Sagittaire, celle du Petit Chien ou encore les Nuages de Magellan. Ces interactions moins violentes n’ont pas changé la structure de notre galaxie comme ce fut le cas pour M32. Mais dans un certains temps, environ 4 milliards d’années, la Voie Lactée va à son tour faire face à l’appétit sans fin d’Andromède puisqu’elle fonce droit sur nous. Va-t-il se produire la même chose qu’avec M32p ? Pas forcément nous dit Richard D’Souza. « Nous ne savons pas encore si le disque galactique survivra à cette prochaine fusion » conclut-t-il.

Vue d'artiste depuis la Terre de la fusion entre la galaxie d'Andromède et la Voie Lactée dans 4 milliards d'années.
Crédit : NASA, ESA, Z. Levay, R. van der Marel et A. Mellinger

 

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