Andromède possède un diamètre isophotal D25 d'environ 46,56 kiloparsecs (152 000 années-lumière) et se situe à environ 765 kpc (2,5 millions d'années-lumière) de la Terre. C'est assez proche, à l'échelle cosmique, pour qu'un astronome perse l'ait consignée à l'œil nu des siècles avant l'invention des télescopes — et assez loin pour qu'il ait fallu un siècle des meilleurs instruments de l'astronomie pour déterminer sa distance exacte.
Andromède est la plus grande galaxie voisine de la Voie lactée, et elle n'est pas immobile. Elle se rapproche de nous, et longtemps après la disparition de chaque lecteur de cet article, les deux galaxies sont destinées à fusionner en une seule.
Un nuage consigné il y a mille ans
Vers l'an 964 apr. J.-C., l'astronome perse Abd al-Rahman al-Sufi décrivit la galaxie d'Andromède dans son Livre des étoiles fixes comme une « tache nébuleuse » ou un « petit nuage ». C'était la première mention historique de la galaxie d'Andromède et la plus ancienne référence connue à une galaxie autre que la Voie lactée — consignée par quelqu'un qui n'avait aucun moyen de savoir qu'il s'agissait d'une galaxie, encore moins d'une galaxie située à plus de deux millions d'années-lumière.
Pendant près de mille ans après al-Sufi, personne ne pouvait dire ce qu'était réellement cette tache. S'agissait-il d'un nuage de gaz proche à l'intérieur de la Voie lactée, ou de quelque chose de totalement différent, situé impossiblement loin au-delà ? Répondre à cette question allait devenir l'un des débats déterminants de l'astronomie du 20e siècle.
Un débat qui a divisé l'astronomie américaine
L'idée que des galaxies existaient au-delà de la Voie lactée était si controversée au début du 20e siècle qu'elle donna lieu au « Grand Débat Shapley-Curtis », au cours duquel les astronomes Harlow Shapley et Heber Doust Curtis débattirent de la nature des « nébuleuses » et de la taille de la Voie lactée à l'Académie nationale des sciences le 26 avril 1920. Shapley pensait que la Voie lactée constituait l'univers tout entier ; Curtis soutenait que des taches floues comme Andromède étaient des « univers-îles » séparés, entièrement extérieurs à elle.
Curtis disposait de preuves, même imparfaites. En 1917, il observa une nova au sein d'Andromède. Après avoir passé en revue les archives photographiques, 11 autres novae furent découvertes, et Curtis remarqua que ces novae étaient, en moyenne, 10 magnitudes plus faibles que celles observées ailleurs dans le ciel. Il put ainsi établir une estimation de distance de 500 000 al (32 milliards d'UA) — une distance considérable pour l'époque, bien qu'elle se soit avérée inférieure au quart du chiffre réel.
Le télescope qui a tranché
Le débat Shapley-Curtis avait besoin d'un télescope plus puissant pour être résolu, et il l'obtint. Les observations d'Edwin Hubble, réalisées en 1924 avec le télescope Hooker de 100 pouces récemment achevé, prouvèrent de manière définitive que ces nébuleuses étaient bien trop lointaines pour appartenir à la Voie lactée et qu'il s'agissait en fait de galaxies entières situées en dehors de la Voie lactée. Curtis avait eu raison à propos des « univers-îles » ; il lui avait simplement manqué l'instrument pour le démontrer de façon définitive.
La méthode de Hubble reposait sur les étoiles variables céphéides, dont l'éclat pulse selon un rythme directement lié à leur luminosité réelle, permettant aux astronomes de calculer à quelle distance elles doivent se trouver pour paraître aussi faibles qu'elles le sont. Ce fut une avancée majeure — mais pas le dernier mot sur la distance d'Andromède, car la méthode elle-même comportait encore un défaut caché.
Pourquoi la distance n'a cessé de doubler
L'estimation de la distance de la galaxie d'Andromède par rapport à la nôtre fut doublée en 1953, lorsqu'on découvrit qu'il existait un second type d'étoile variable céphéide, plus faible. Les astronomes avaient confondu deux types différents de céphéides obéissant à des règles de luminosité différentes, ce qui signifiait que chaque distance calculée à partir d'elles, y compris celle de Hubble, avait été sous-estimée d'un facteur d'environ deux. Andromède n'avait pas bougé — c'est l'étalon utilisé pour la mesurer qui avait été recalibré.
Des techniques ultérieures convergèrent vers le chiffre moderne par des voies totalement différentes. Une méthode de céphéides variables de 2004 estima la distance à 2,51 ± 0,13 million d'années-lumière (770 ± 40 kpc). Puis, en 2005, une binaire à éclipses fut découverte dans la galaxie d'Andromède. Les étoiles se situent à une distance de 2,52 ± 0,14 million d'al (159,4 ± 8,9 milliards d'UA), et la galaxie d'Andromède tout entière à environ 2,5 millions d'al (160 milliards d'UA). Deux méthodes indépendantes, les étoiles pulsantes et les binaires à éclipses, aboutirent à un chiffre presque identique — une concordance étroite malgré un écart de 2,5 millions d'années-lumière.
Une barre dissimulée au grand jour
Pendant des décennies, les astronomes ont décrit Andromède comme une simple spirale, semblable aux illustrations classiques de la Voie lactée dans les manuels. Les données infrarouges de l'étude 2MASS et du télescope spatial Spitzer ont montré qu'Andromède est en réalité une galaxie spirale barrée, comme la Voie lactée, l'axe majeur de la barre d'Andromède étant orienté à 55 degrés dans le sens antihoraire par rapport à l'axe majeur du disque. La lumière visible avait dissimulé la barre derrière la poussière et l'éclat du disque ; seuls les instruments infrarouges, capables de voir à travers cette poussière obscurcissante, ont révélé la structure sous-jacente.
Un noyau dédoublé abritant un trou noir
En zoomant sur le centre d'Andromède, la structure devient encore plus étrange. Le noyau se compose de deux concentrations séparées par 1,5 pc (4,9 al). La concentration la plus faible, P2, se trouve au centre véritable de la galaxie et contient un amas d'étoiles intégré, appelé P3, comprenant de nombreuses étoiles de type A brillantes en ultraviolet et le trou noir supermassif, appelé M31*. Au lieu d'un seul noyau brillant, le centre d'Andromède ressemble à deux, et le plus faible des deux est celui qui marque réellement le centre gravitationnel de la galaxie et abrite son trou noir central.
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Des millions d'étoiles regroupées en un seul amas
Les confins d'Andromède recèlent leurs propres superlatifs. On dénombre environ 460 amas globulaires associés à la galaxie d'Andromède. Le plus massif de ces amas, identifié sous le nom de Mayall II et surnommé Globular One, possède une luminosité supérieure à celle de tout autre amas globulaire connu dans le Groupe local de galaxies. Il contient plusieurs millions d'étoiles et est environ deux fois plus lumineux qu'Omega Centauri, l'amas globulaire le plus brillant connu de la Voie lactée. Un amas plus lumineux que tout ce que la Voie lactée elle-même peut offrir, niché discrètement dans le halo d'Andromède, passe facilement inaperçu à côté des traits les plus célèbres de la galaxie.
De petites compagnes aux destins très différents
Comme la Voie lactée, la galaxie d'Andromède possède des galaxies satellites plus petites, comptant plus de 20 galaxies naines connues. Les galaxies satellites les plus connues et les plus facilement observables sont M32 et M110. Toutes deux sont visibles aux jumelles aux côtés d'Andromède elle-même, mais elles racontent des histoires très différentes sur ce qui arrive à une petite galaxie qui s'aventure trop près d'une grande.
M32 pourrait avoir été autrefois une galaxie plus grande qui aurait vu son disque stellaire arraché par M31 et connu une forte augmentation de la formation d'étoiles dans sa région centrale, laquelle s'est poursuivie jusqu'à une période relativement récente. Sa voisine a connu un sort différent : contrairement à M32, Messier 110 ne présente aucune preuve d'un trou noir supermassif en son centre. L'un des satellites a été dépouillé jusqu'à devenir un vestige compact marqué par la formation d'étoiles ; l'autre ne montre aucun signe du type de trou noir central que possèdent à la fois Andromède et M32.
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Le groupe que Hubble a nommé
Andromède et la Voie lactée ne sont isolées ni l'une de l'autre, ni d'un voisinage plus large. Le terme « Groupe local » fut introduit par Edwin Hubble au chapitre VI de son livre de 1936, Le Royaume des nébuleuses. Il y décrivait ce groupe comme « un petit groupe typique de nébuleuses isolé dans le champ général » et énumérait ses membres, par ordre de luminosité décroissante : M31, la Voie lactée, M33, le Grand Nuage de Magellan, le Petit Nuage de Magellan, M32, NGC 205, NGC 6822, NGC 185, IC 1613 et NGC 147. Le même astronome qui prouva qu'Andromède était une galaxie distincte donna également un nom au petit amas de galaxies auquel elle appartient, avec Andromède elle-même en tête de son propre classement de luminosité.
Sur une trajectoire de collision
Être voisines au sein du même petit groupe a une conséquence : la gravité rapproche Andromède et la Voie lactée. La collision Andromède–Voie lactée est une collision galactique susceptible de se produire dans environ 4,5 milliards d'années entre les deux plus grandes galaxies du Groupe local. La galaxie d'Andromède se rapproche de la Voie lactée à environ 110 kilomètres par seconde (68,4 mi/s), comme l'indique un décalage vers le bleu — un phénomène rare parmi les galaxies lointaines, dont la plupart présentent un décalage vers le rouge à mesure que l'univers s'étend en s'éloignant de nous.
Ce rapprochement peut sembler alarmant, mais la collision ne ressemblera pas à un accident de voiture. Alors que la galaxie d'Andromède compte environ 1 billion (10^12) d'étoiles et la Voie lactée environ 300 milliards (3×10^11), la probabilité que deux étoiles entrent seulement en collision est négligeable en raison des immenses distances qui séparent les étoiles. Des milliers de milliards d'étoiles traverseront le territoire l'une de l'autre en se touchant à peine, car même une galaxie dense reste, étoile après étoile, essentiellement un vide.
La seule exception spectaculaire concerne les trous noirs situés au cœur de chaque galaxie, y compris le M31* d'Andromède. Le gaz absorbé par le trou noir combiné pourrait créer un quasar lumineux ou un noyau galactique actif, libérant autant d'énergie que 100 millions d'explosions de supernova. Tout le reste de la fusion sera une lente dérive silencieuse d'étoiles se croisant sur des millions d'années ; les trous noirs sont l'endroit où se produit le véritable feu d'artifice.