Fusion prévue de la Voie lactée et d'Andromède et destin futur des galaxies dans un Univers en expansion
Toutes les galaxies évoluent constamment au fil du temps cosmique : elles grandissent par fusion, changent lentement sous l'influence de processus internes, et parfois inévitablement se rapprochent pour entrer en collision avec des galaxies voisines. La Voie lactée, notre galaxie, ne fait pas exception : elle orbite dans le Groupe local de galaxies (GL), et les observations montrent qu'elle se dirige vers une collision avec son plus grand satellite – la galaxie d'Andromède (M31). Cette fusion spectaculaire, appelée « Milkomeda », transformera fondamentalement notre environnement local dans quelques milliards d'années. Cependant, même après cet événement, l'expansion rapide de l'Univers déterminera une histoire plus large d'isolement galactique et de destin final. Cet article discutera pourquoi et comment la Voie lactée entrera en collision avec Andromède, les conséquences possibles de cette fusion pour les deux galaxies, et l'avenir à long terme des galaxies dans le contexte de l'expansion croissante de l'Univers.
1. Fusion imminente : la Voie lactée et Andromède
1.1 Preuves de la trajectoire de collision
Des mesures précises du mouvement d'Andromède par rapport à la Voie lactée montrent qu'elle est en état de décalage vers le bleu – se rapprochant de nous à environ 110 km/s. Les premières études de vitesse radiale suggéraient une collision future possible, mais la vitesse transverse d'Andromède est restée longtemps incertaine. Les données du télescope spatial Hubble et des ajustements ultérieurs (y compris les observations de Gaia) ont permis de déterminer le mouvement propre d'Andromède, confirmant qu'elle devrait entrer en collision avec notre Voie lactée dans environ 4 à 5 milliards d'années [1,2].
1.2 Contexte du Groupe local de galaxies
Andromeda (M31) et la Voie lactée sont les deux plus grandes galaxies du Groupe local de galaxies – un petit amas de galaxies d'environ 3 millions d'années-lumière de diamètre. La galaxie du Triangle (M33), qui orbite près d'Andromède, pourrait également être impliquée dans la future collision. Diverses galaxies naines (par exemple, les Nuages de Magellan, d'autres satellites doubles) situées en périphérie du GL peuvent aussi subir des perturbations de marée ou devenir des satellites du système fusionné.
1.3 Périodes et dynamique de la collision
Les simulations montrent que la première collision entre Andromède et le Voie lactée aura lieu dans environ 4 à 5 milliards d'années, peut-être avec plusieurs passages rapprochés avant la coalescence finale vers 6 à 7 milliards d'années dans le futur. Pendant ces approches :
- Les forces de marée étireront la structure du disque, pouvant créer des queues de marée ou des structures annulaires.
- La formation d'étoiles s'intensifiera temporairement dans les régions où les réservoirs de gaz se chevauchent.
- L'alimentation du trou noir pourrait s'intensifier dans les régions centrales si le gaz converge vers le centre.
Finalement, ces galaxies devraient fusionner en une galaxie elliptique massive ou lenticulaire appelée « Milkomeda », où les étoiles des deux spirales se mélangeront [3].
2. Résultat possible de la fusion « Milkomeda »
2.1 Résidu elliptique ou sphéroïde massif
Les fusions majeures, en particulier entre deux spirales de masses similaires, détruisent généralement les structures de disque et forment un sphéroïde supporté par la pression, caractéristique des galaxies elliptiques. L'apparence finale de « Milkomeda » dépendra probablement de :
- Géométrie des orbites – si l'interaction est centrée et symétrique, une structure elliptique typique pourrait se former.
- Quantité résiduelle de gaz – s'il reste du gaz non consommé ou non expulsé, une galaxie lenticulaire (S0) pourrait se former avec une structure de disque ou d'anneau faible.
- Halo de matière noire – le halo combiné du Voie lactée et d'Andromède formera un environnement gravitationnel déterminant la redistribution des étoiles.
Les modèles étudiant les spirales riches en gaz montrent de fortes poussées de formation d'étoiles lors des fusions, mais après 4 à 5 milliards d'années, les réserves de gaz du Voie lactée seront plus modestes, donc la formation d'étoiles durant la fusion pourrait être moins intense que dans l'Univers primitif [4].
2.2 Interaction centrale du SMJS
Le trou noir du Voie lactée (Sgr A*) et le trou noir plus massif d'Andromède pourraient fusionner à terme sous l'effet de la friction dynamique. Lors des derniers instants de la fusion, de puissantes ondes gravitationnelles pourraient être émises (bien que d'une intensité moindre à l'échelle cosmologique que dans d'autres systèmes plus massifs ou plus éloignés). Les trous noirs fusionnés resteront au centre de la nouvelle galaxie elliptique, rayonnant peut-être un temps comme un AGN, si suffisamment de gaz est présent.
2.3 Destin du système solaire
Au moment de la fusion, le Soleil aura environ le même âge qu'aujourd'hui – celui de l'Univers, approchant la fin de la combustion tardive de l'hydrogène. La luminosité solaire augmentera, rendant la Terre inhospitalière à la vie, malgré la collision galactique. De manière dynamique, le système solaire restera probablement en orbite au centre de la nouvelle galaxie (ou plus loin en bordure du halo), mais il est peu probable qu'il soit éjecté ou absorbé par un trou noir [5].
3. Autres galaxies du Groupe Local et évolution des satellites nains
3.1 La galaxie du Triangle (M33)
M33, la troisième plus grande galaxie spirale du VG, orbite autour d'Andromède et pourrait être intégrée dans le processus de « Milkomeda ». Selon son orbite, M33 pourrait fusionner plus tard avec le système fusionné Andromède–Voie lactée ou être détruite par les forces de marée. Cette galaxie contient une quantité assez importante de gaz, donc sa fusion finale pourrait provoquer une augmentation ultérieure de la formation stellaire dans le système global.
3.2 Interactions des satellites nains
Le VG compte des dizaines de galaxies naines (par exemple, les Nuages de Magellan, la naine Flèche, etc.). Certaines d'entre elles pourraient être détruites ou intégrées dans le réservoir de « Milkomeda » lors des fusions à venir. Sur des milliards d'années, de nombreuses petites fusions pourraient encore augmenter le halo stellaire, densifiant le système final. Ainsi, l'interaction hiérarchique se poursuit même après la coalescence principale des spirales.
4. Contexte de l'expansion ultérieure de l'Univers
4.1 Expansion accélérée et séparation galactique
Après la formation de « Milkomeda », l'expansion rapide de l'Univers, alimentée par l'énergie noire, signifie que les galaxies non liées gravitationnellement s'éloignent et qu'il devient finalement impossible d'établir un lien causal avec elles. Après des dizaines de milliards d'années, seul le Groupe Local (ou son vestige) restera lié gravitationnellement, tandis que toutes les structures de superamas plus éloignées s'éloigneront plus vite que la lumière ne peut les rejoindre. Finalement, « Milkomeda » et ses satellites deviendront « l'Univers des îles », séparé des autres superamas [6].
4.2 Épuisement de la formation stellaire
Avec l'écoulement du temps cosmique, les réserves de gaz diminueront. Les fusions et les rétroactions peuvent chauffer ou éliminer le gaz restant, tandis que les quantités de gaz entrant, provenant des filaments cosmiques, diminuent à l'époque tardive. Après des centaines de milliards d'années, la formation d'étoiles s'arrêtera presque, ne laissant principalement que des vieilles étoiles rouges. La galaxie elliptique finale s'assombrira, dominée uniquement par des étoiles rouges pâles, des naines blanches, des étoiles à neutrons et des trous noirs.
4.3 Domination des trous noirs et des vestiges
Après des trillions d'années, de nombreuses étoiles, soumises aux interactions gravitationnelles, pourraient être éjectées du halo de Milkomeda. Pendant ce temps, le SMJS restera dans le noyau galactique. Finalement, les trous noirs pourraient être les seuls réservoirs de masse importants dans ce fond cosmique désolé. Le rayonnement de Hawking pourrait, sur des périodes incroyablement longues, évaporer même les trous noirs, mais cela se situe bien au-delà des époques astrophysiques habituelles [9, 10].
5. Perspectives issues des observations et de l'analyse théorique
5.1 Suivi du mouvement d'Andromède
Le télescope spatial Hubble a mesuré en détail les vitesses d'Andromède, confirmant la trajectoire de collision avec une faible composante latérale. Des données supplémentaires de Gaia affinent encore les orbites d'Andromède et de M33, permettant une meilleure détermination de la géométrie de l'approche [7]. Les futures missions astrométriques spatiales pourront déterminer avec encore plus de précision le moment du premier contact.
5.2 Simulations N-corps du Groupe Local
Les modèles développés au centre spatial Goddard de la NASA ou ailleurs indiquent qu'environ 4 à 5 milliards d'années après, la première collision commencera, après quoi M31 et la Voie lactée pourraient se croiser de près plusieurs fois. Finalement, ils fusionneront sur plusieurs centaines de millions d'années, formant une gigantesque galaxie elliptique. Les simulations examinent également la participation de M33, les queues de marée laissées et les poussées de formation d'étoiles dans le noyau [8].
5.3 Destin des amas lointains au-delà du Groupe Local
En raison de l'accélération cosmique, les amas lointains s'éloignent de nous – avec le temps, ils dépasseront nos limites d'observation. Les observations de supernovas à décalage vers le rouge élevé montrent que l'énergie noire domine l'expansion de l'Univers, de sorte que le réseau galactique à grande échelle se fragmentera en « îles » isolées. Ainsi, même si localement les galaxies fusionnent, la structure cosmique plus large s'éloigne et s'affaiblit dans notre champ de vision.
6. Lointain avenir cosmique
6.1 L'ère « dégénérative » de l'Univers
Après l'épuisement de la formation d'étoiles, les galaxies (ou systèmes fusionnés) entrent progressivement dans « l'ère dégénérative », où la principale source de masse de la population est constituée des restes stellaires (naines blanches, étoiles à neutrons, trous noirs). Parfois, des collisions fortuites entre naines brunes ou débris stellaires peuvent brièvement raviver la formation d'étoiles, mais en moyenne l'Univers est bien assombri.
6.2 Domination finale des trous noirs
Après des centaines de trillions d'années, les interactions gravitationnelles pourraient éjecter de nombreuses étoiles du halo galactique, tandis que les plus grands trous noirs resteront au centre. Finalement, ils pourraient être le seul réservoir de masse important dans un univers solitaire. Le rayonnement de Hawking pourrait même, sur des temps inimaginablement longs, évaporer ces trous noirs, bien que cela dépasse largement les époques astrophysiques habituelles [9, 10].
6.3 Héritage du Groupe Local
Pendant « l'âge sombre », Milkomeda sera probablement la seule structure elliptique massive contenant les restes stellaires de la Voie lactée, d'Andromède, de M33 et des galaxies naines. Si d'autres galaxies/amas se trouvent au-delà de notre horizon cosmologique, cette île fusionnée restera localement, s'enfonçant lentement dans l'obscurité cosmique.
7. Conclusions
La Voie lactée et Andromède se dirigent inévitablement vers une fusion galactique – un phénomène qui provoquera un changement majeur au centre du Groupe Local. Dans environ 4 à 5 milliards d'années, ces deux galaxies spirales commenceront à interagir par des distorsions de marée, des poussées de formation d'étoiles et des vagues d'« alimentation » des trous noirs, jusqu'à fusionner finalement en une massive elliptique – « Milkomeda ». Des galaxies plus petites, comme M33, pourraient être intégrées dans cette fusion, tandis que les satellites nains seront déchirés par les marées ou intégrés.
En regardant plus loin, l'expansion de l'Univers isolera cette nouvelle structure des autres, la confinant dans la solitude, où la formation d'étoiles finira par s'épuiser. Dans des dizaines ou des centaines de milliards d'années, il ne restera que des étoiles vieillissantes, jusqu'à ce que finalement seules dominent les trous noirs et les vestiges stellaires. Cependant, pour les quelques milliards d'années à venir, notre coin cosmique restera assez dynamique, et la collision imminente avec Andromède sera le dernier grand spectacle de rassemblement galactique dans le Groupe Local.
Liens et lectures complémentaires
- van der Marel, R. P., et al. (2012). « Le vecteur vitesse de M31. III. Évolution orbitale future Milky Way–M31–M33, fusion et destin du Soleil. » The Astrophysical Journal, 753, 9.
- van der Marel, R. P., & Guhathakurta, P. (2008). « Vitesse transverse de M31 et masse du Groupe Local à partir de la cinématique des satellites. » The Astrophysical Journal, 678, 187–199.
- Cox, T. J., & Loeb, A. (2008). « La collision entre la Voie lactée et Andromède. » Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 386, 461–474.
- Hopkins, P. F., et al. (2008). « Un modèle unifié, basé sur les fusions, de l'origine des sursauts de formation d'étoiles, des quasars et des sphéroïdes. » The Astrophysical Journal Supplement Series, 175, 356–389.
- Sackmann, I.-J., & Boothroyd, A. I. (2003). « Notre Soleil. III. Présent et futur. » The Astrophysical Journal, 583, 1024–1039.
- Riess, A. G., et al. (1998). « Preuves observationnelles issues des supernovae en faveur d'un univers en accélération et d'une constante cosmologique. » The Astronomical Journal, 116, 1009–1038.
- Gaia Collaboration (2018). « Gaia Data Release 2. Diagrammes observationnels de Hertzsprung–Russell. » Astronomy & Astrophysics, 616, A1.
- Kallivayalil, N., et al. (2013). « Mouvements propres des Nuages de Magellan à la troisième époque. III. Histoire cinématique des Nuages de Magellan et destin du courant de Magellan. » The Astrophysical Journal, 764, 161.
- Adams, F. C., & Laughlin, G. (1997). « Un univers mourant : le destin à long terme et l'évolution des objets astrophysiques. » Reviews of Modern Physics, 69, 337–372.
- Hawking, S. W. (1975). « Création de particules par les trous noirs. » Communications in Mathematical Physics, 43, 199–220.