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Autres appellations : NGC 224, 2MASXJ00424433+4116074, CGCG535-017, GIN801, LGG011:[G93]001, MCG+07-02-016, PGC002557, UGC00454, UZC004000+41000

La galaxie d’Andromède, dont le nom scientifique est M31 (M désigne le catalogue établi en 1764 par l’astronome français Charles Messier), est à 2,5 millions d’années-lumière, la galaxie spirale la plus proche de notre propre galaxie, la Voie lactée. Toutes classes confondues, la galaxie la plus proche est la naine du Grand Chien. M 31 dont le disque très incliné s’étend en diamètre sur environ 220 000 années-lumière soit une fois et demie la largeur de notre galaxie.

Repérable à l’œil nu, sa première évocation reste à ce jour celle de l’astronome perse Abdul Rahman al Suphi (904 - 986) qui la répertoria dans son Livre des étoiles fixes en 964 sous l’appellation de « Petit nuage ».
C’est William Cranch Bond qui parvient, en 1847, à discerner les «canaux de Bond». Ces structures se révéleront être des zones obscurcies par des poussières, caractéristiques fondamentales des galaxies spirales. Le doute sur la non-appartenance de M 31 à notre système galactique ne sera levé par Edwin Hubble qu’en 1925 par l’analyse de quelques céphéides.
La galaxie d’Andromède possède deux galaxies satellites répertoriées dans le catalogue Messier : M 32 et M 110.

Née d'une collision entre deux galaxies, il y a un peu moins de trois milliards d'année, elle contiendrait environ mille milliards d'étoiles, deux à cinq fois plus que notre galaxie.
Avec une magnitude visuelle de 3,4, la galaxie d'Andromède est l’une des rares galaxies observables à l'œil nu depuis la Terre dans l’hémisphère nord. C’est également l'un des objets les plus étendus de la voûte céleste, avec un diamètre apparent de 3,18°, soit plus de six fois le diamètre apparent de la Lune observée depuis la Terre.
La galaxie d’Andromède constitue le membre le plus imposant de l’amas local. Cet amas local contient une soixantaine de galaxies dont seulement trois spirales : M33, la petite galaxie du Triangle, la galaxie d’Andromède et le Voie lactée, toutes les autres galaxies ayant des formes irrégulières.

La formation de la galaxie d'Andromède enfin élucidée

Texte extrait du communiqué de presse de l’Observatoire de Paris :

« La galaxie spirale Andromède s’est structurée il y a moins de 3 milliards d’années, à la suite d’une collision majeure survenue entre deux galaxies. C’est la conclusion rapportée par une étude adossée à des moyens de calculs informatiques sans précédent et dirigée par un astronome de l’Observatoire de Paris - PSL, au département Galaxies, Etoiles, Physique et Instrumentation - GEPI (Observatoire de Paris - PSL / CNRS / Université Paris Diderot). Celle-ci paraît en ligne dans la revue Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, en date du 14 février 2018. La grande nébuleuse d’Andromède a été décrite pour la première fois en 964, par l’astronome Perse, Abd al-Rahman al-Sufi. Répertoriée en 1923 comme galaxie, elle a souvent été considérée comme la sœur jumelle de notre Voie Lactée. C’est sa plus proche voisine et cette proximité permet l’observation comparée de ses propriétés qui, jusqu’à aujourd’hui, intriguaient les astrophysiciens.

Une campagne d’observations américaine, menée entre 2006 à 2014, avait en effet souligné une différence considérable avec la Voie Lactée : dans le disque géant d’Andromède, toutes les étoiles âgées de plus de 2 milliards d’années, subissent des mouvements désordonnés, dont l’ampleur est presque comparable à leur mouvement de rotation autour du centre de cette galaxie. À titre comparatif, les étoiles du disque de la Voie Lactée, dont fait partie notre Soleil, ne sont sujets qu’à un simple mouvement de rotation. Comment expliquer cette différence ?

À l’aide de modélisations effectuées sur les plus puissants moyens de calcul disponibles en France - les calculateurs de l’Observatoire de Paris (MesoPSL) et de GENCI (IDRIS - CNRS) -, et après traitement de près d’un téraoctet de données, une équipe scientifique franco-chinoise de l’Observatoire de Paris - PSL, du National Astronomical Observatory of China (NAOC), de l’Observatoire astronomique de l’Université de Strasbourg et du CNRS est enfin parvenue à caractériser les mécanismes physiques de formation d’Andromède, levant ainsi le voile sur l’origine de sa formation. Les scientifiques ont démontré que seule une collision « récente » pouvait expliquer l’agitation des étoiles, collision suivie par un épisode de formation stellaire dans l’ensemble du disque géant d’Andromède.

Il y a 7 à 10 milliards d’années, à la place d’Andromède, se trouvaient deux galaxies sur une même trajectoire de rencontre. Les astronomes ont optimisé par simulation les trajectoires des deux galaxies pro-génitrices. Ils ont découvert qu’elles avaient fusionné il y a 1,8 à 3 milliards d’années. Cette collision a donné naissance à Andromède telle que nous la connaissons. « Nous avons montré que la plus grande des deux galaxies pro-génitrices était environ quatre fois plus massive que la plus petite », précise François Hammer, astronome de l’Observatoire de Paris - PSL, premier coauteur de l’étude. © Richard Crisp / Observatoire de Paris - PSL / Hammer et al. 2016.

Grâce à des calculs numériques intensifs, les astrophysiciens parviennent pour la première fois à reproduire en détail l’ensemble des nombreuses structures qui composent la galaxie d’Andromède : le bulbe, la barre et le disque géant. Ce dernier inclut un gigantesque anneau d’étoiles jeunes dont la stabilité avec le temps restait inexpliquée, ce qui vient d’être résolu.

La galaxie d’Andromède est entourée de gaz et d’étoiles peuplant une région dix fois plus étendue qu‘Andromède, communément appelée le halo. Des observations réalisées entre 2008 et 2014 sur le télescope franco-canadien à Hawaii (CFHT) montrent que le halo d’Andromède est peuplé par de gigantesques courants d’étoiles, dont le plus proéminent, s’appelle précisément le « courant géant d’étoiles ». Le disque géant présente des bords déformés, sur lesquels on retrouve également d’autres structures ayant la forme d’amas diffus ou de coquilles.

En faisant une comparaison systématique avec ces observations qui sont les plus profondes du halo d’Andromède, la collaboration franco-chinoise est parvenue à reproduire et à comprendre l’origine de ces structures. Le « courant géant d’étoiles » ainsi que les coquilles proviennent du plus petit progéniteur, tandis que les amas diffus et la déformation du disque proviennent du plus grand. Cela explique pourquoi les premières structures sont sous-abondantes en éléments lourds par rapport aux secondes : le plus petit progéniteur étant moins massif, il a formé moins d’éléments lourds et d’étoiles que le plus grand.

C’est la toute première fois qu’une simulation numérique, basée sur 24 millions de particules, parvient à reproduire une galaxie avec autant de détails. La collision gigantesque qui a eu lieu alors que notre Terre existait déjà, pourrait avoir laissé des traces dans notre environnement, le Groupe Local. Elle est le seul moyen d’expliquer comment se sont formés le bulbe, la barre, les disques minces et épais, l’anneau stable de jeunes étoiles dans le disque, le récent événement de formation stellaire dans tout le disque, la structure 3D du « courant géant d’étoiles », les coquilles et amas diffus, et la distribution des étoiles dans le halo.

Référence : Ce travail de recherche a fait l’objet d’un article intitulé “A 2-3 billion year old major merger paradigm for the Andromeda galaxy and its outskirts”, par F. Hammer et al., paru le 14 février 2018 dans la revue Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (arXiv : 1801.04279)
. Collaboration : L’équipe est composée de François Hammer (Observatoire de Paris – PSL), Yanbin Yang (Observatoire de Paris – PSL), Jianling Wang (National Astronomical Observatory of China), Rodrigo Ibata (Observatoire astronomique de l’Université de Strasbourg), Hector Flores (Observatoire de Paris – PSL) et Mathieu Puech (Observatoire de Paris – PSL). »

Découvrir la simulation en vidéo :

Paradigme d’une fusion - la galaxie d’Andromède - 1 : formation du disque

Paradigme d’une fusion - la galaxie d’Andromède 2 : Le Courant Géant d’Etoiles

Collision future entre la galaxie d’Andromède et la Voie lactée

L’étude récente du mouvement des galaxies au sein de notre amas local a démontré que M31 se rapproche de notre Galaxie à une vitesse de 120 km/s et que la collision entre ces deux membres les plus imposants de l’amas devrait avoir lieu dans environ quatre milliards d’années, avant la mort du Soleil qui devrait arriver dans cinq milliards d’années.

La vitesse radiale de la galaxie d'Andromède par rapport à la Voie lactée peut être mesurée en examinant le décalage vers le bleu des lignes spectrales des étoiles de la galaxie. Ainsi, il est établi que les deux objets cosmiques se rapprochent l'un de l'autre à la vitesse approximative de 430 000 km/h, soit environ 120 km/s.

Les mesures effectuées en 2002 et 2010 grâce au télescope spatial Hubble par l'équipe de Roeland P. van der Marel, astrophysicien de l'Institut scientifique du télescope spatial de Baltimore (États-Unis), ont révélé, que dans le plan du ciel, Andromède se déplace à une vitesse de 17 km/s.

Il s'ensuit que les deux galaxies vont se rencontrer d'ici environ quatre milliards d'années. Quand ces deux spirales seront suffisamment proches, elles commenceront par se tourner autour. Elles vont ensuite s'échanger leurs gaz, leurs étoiles, et lentement se mêler pour ne plus former qu'une seule et même énorme galaxie dans sept milliards d'années.

La densité de matière baryonique au sein d'une galaxie étant particulièrement faible, les interactions directes (collisions éventuelles) entre étoiles de galaxies en collision sont très improbables malgré l'énorme collision apparente.

Il résultera de cette union une grosse galaxie elliptique (laquelle évoluera peut-être plus tard en galaxie spirale) surnommée anglais Milkomeda ou Milkdromeda (contraction de Milky Way « Voie lactée » et Andromeda « Andromède ») et en français « Lactomède » (ou « Milkomède » par anglicisme). Le Système solaire quant à lui devrait être relégué à une place bien plus lointaine du centre de cette nouvelle galaxie spirale qu'il ne l'était de celui de la Voie lactée.

Repérer la galaxie d’Andromède

Si la distance de 2.5 millions d’années-lumière peut sembler gigantesque, à l’échelle de l’univers c’est presque un saut de puce. En effet, la plupart des autres galaxies répertoriées par Charles Messier (1730-1817) dans son célèbre catalogue sont situées entre 12 et 60 millions d’années-lumière de nous. Si M31 est effectivement gigantesque comparée aux autres objets du ciel profond, si elle est aussi exceptionnellement brillante, sa visibilité et son esthétique sont très variables. La galaxie d’Andromède est en effet un objet déroutant et versatile, car sa visibilité et sa beauté vont énormément dépendre de l’instrument utilisé, mais aussi des conditions d’observation. La taille de M31 laisse tous les objets du catalogue de Messier loin derrière : elle couvre plus de trois degrés soit quatre fois la pleine Lune. Concernant son éclat, avec une magnitude de 3,4, M31 est le troisième objet le plus lumineux du ciel profond après les Pléiades (magnitude 1,5) et l’amas ouvert M7 (magnitude 3,3). Mais voyons cela de nos propres yeux. Passons une petite laine et allons dehors.

On trouve aisément la constellation d’Andromède dans le prolongement vers le nord-est (vers la gauche) des deux étoiles α And et β Peg. Andromède est constituée par un alignement légèrement arrondi de quatre étoiles de l’ouest vers l’est α (alpha) δ (delta), β (bêta) et γ (gamma).

Notre point de départ pour trouver la galaxie d’Andromède est β (Mirach), une étoile de magnitude 2. (Mirach). En partant de Mirach, vers le nord, on trouve deux étoiles d’éclat décroissant : la première μ (mu) And de magnitude 3.9 et la deuxième ν (nu) And de magnitude 4.5. C’est ce dernier jalon qui permet d’accéder à M31. En effet, la galaxie est située à quelques minutes à l’ouest deuxième ν (nu) And, voir la carte.

Sous un bon ciel de campagne, sans Lune la galaxie est évidente sous la forme d’une petite tache allongée. La recherche sera facilitée par le recours à la vision décalée. L’œil humain offre cette particularité étrange, mais bien pratique en astronomie, d’être plus sensible sur le côté du champ direct de l’observation. Plus concrètement, en fixant du regard la portion du ciel, par exemple en haut à droite de la position de M31, à une distance égale à la surface d’une main tendue vers le ciel, l’observateur constatera que s’il remarque le point ponctuel de l’étoile ν And, son œil remarque aussi comme un petit ballon de rugby allongé, en haut à droite de cette même étoile. L’observation de M31 à l’œil nu est impossible dans les grandes métropoles dont le ciel est saturé de lumière.

Observer M31 est le premier challenge extraordinaire offert par cette galaxie pourtant située à 2,5 millions d’années-lumière. Mais l’observateur ne voit pas la M31 de 2024, puisque nous recevons aujourd’hui les photons partis de M31… il y a 2,5 millions d’années ! Autrement dit l’image que nous percevons aujourd’hui est partie de M31 à une époque où l’espèce humaine se résumait à quelques milliers d’hominidés rassemblés dans la corne de l’Afrique.

Quels instruments pour observer la galaxie d’Andromède ?

Avec des jumelles

L’observateur sera très bien inspiré de pointer ses jumelles vers M31, car nouveau paradoxe, la galaxie d’Andromède est magnifique dans cette optique modeste. Pour les mêmes raisons que celles énoncées plus haut, la galaxie est brillante et très grande. Les jumelles constituent en réalité la passerelle idéale entre les yeux et la galaxie en ceci qu’elles offrent un champ de vision non seulement très large mais aussi très lumineux.

Avec des instruments d’initiation : lunettes de 70 ou 80 mm ou télescope jusqu’à 130 mm

Contre toute attente, même sous un ciel correct de plaine, la galaxie offre une image déroutante, fade et insipide. Tout au plus note-on une boule elliptique qui baigne dans fond de ciel laiteux. A faible grossissement, (30 à 40 fois), la galaxie montre un petit noyau flou qui baigne dans un nuage à peine perceptible dans le fond du ciel (manque de contraste). A fort grossissement, (100 fois et plus), on note juste pour le noyau une boule floue aplatie, le voile des spirale étant éteint par le fond de ciel trop noir (trop de contraste).

Le gain de puissance permet cependant une observation cette fois remarquable des deux petites galaxies satellites de M31 : M32 et NG 205 (M110). M32 est visible au sud du noyau sous la forme d’une petite bille de lumière assez brillante. NG 205 est à rechercher bien plus loin, vers le nord-est, visibles sous le forme d’une tache de lumière vaporeuse et nettement moins brillante que M32.

Le seul moyen d’avoir une image intéressante de la galaxie d’Andromède est de délaisser les télescopes de type Schmidt-Cassegrain à F/D 10 qui grossissent trop et ne montrent qu’un trop petit bout du ciel pour un objet aussi gigantesque que M31. Privilégier les télescopes de type Newton ouverts ou des lunettes courtes F/D de 4 à 7 et surtout rechercher un ciel pur et noir. Dans ces conditions, un simple télescope 115/900 équipé d’un bon oculaire de 30 mm.

A partir de 150 et encore mieux avec un 200 mm

Avec un instrument ouvert à F/D 4 ou 5, l’image devient intéressante. On sort des images insipides des petites optiques, même si la galaxie est loin d’offrir une image très esthétique. Notons toutefois que la galaxie d’Andromède offre enfin une belle image dans de gros télescopes l’idéal étant un Dobson à 300 ou 400 mm ouvert à F/D 4 ou équipé d’un oculaire grand champ. Avec un télescope de 305 mm ouvert à 5, soir un ciel bien noir, il est possible de « se promener » dans les bras de M31 en suivant les bandes de poussières.

La galaxie d’Andromède est donc un objet déroutant à plus d’un titre. IL se plait à brouiller les certitudes solidement établies. La première d’entre elles réside dans le fait qu’à priori plus l’instrument utilisé est puissant, plus l’objet du ciel profond est intéressant et esthétique. Ce préjugé est battu en brèche par cette galaxie qui n’est intéressante qu’aux extrêmes des instruments disponibles. : Elle est jolie à l’œil nu et aux jumelles et magnifique dans de gros instruments ouverts, et bien fade dans des optiques intermédiaires entre 60 et 150 mm.

Historique de son observation et étude

Andromède a déjà été décrite il y a plus de mille ans par l’astronome persan Abd al-Rahmān al-Sūfi (903-986) dans son Traité des étoiles fixes, et son étude s’est affinée au fur et à mesure de l’évolution des moyens d’observation.

Messier attribuait la première description télescopique d’Andromède à l’astronome allemand Simon Marius (1573-1624)

En 1612 ; l’Italien Giovanni Battista Hodierna la redécouvrit vers 1650.

Le Français Ismaël Bouillaud la décrivit en 1661 tout en citant les observations effectuées au début des années 1500 par un astronome anonyme.

L’astronome et musicien William Herschel (1738-1822) la considéra comme un « univers-île » voisin qui pourrait être semblable à notre Voie lactée. Andromède était alors généralement désignée comme la « grande nébuleuse d’Andromède ».

En 1864, les observations spectroscopiques de William Huggins (1824-1910) permettent de distinguer les nébuleuses gazeuses (aux spectres caractéristiques des gaz qui y sont présents) des galaxies aux spectres continus, et en particulier de reconnaître en Andromède une galaxie.

En 1885, l’astronome allemand Ernst Hartwig (1851-1923) observe depuis l’observatoire de Dorpat en Estonie une supernova dans Andromède, qui atteint la magnitude 6 du 17 au 20 août 1885 et décline jusqu’à la magnitude 16 en février 1890.

En 1887, les premières photographies de l’astronome amateur britannique Isaac Roberts (1829-1904) permettent de distinguer la structure spirale de M31.

En 1912, l’astronome américain Vesto Melvin Slipher (1875-1969) parvient le premier à mesurer sa vitesse radiale : Andromède se rapproche de notre système solaire à la vitesse d’environ 300 kilomètres par seconde (km/s). Si l’on tient compte du mouvement du système solaire à l’intérieur de la Voie lactée, cela signifie que les deux galaxies s’approchent l’une de l’autre à une vitesse d’environ 100 km/s. Ce rapprochement de deux galaxies voisines ne contredit pas l’expansion de l’Univers, observé à des échelles plus grandes. La nature galactique d’Andromède est définitivement établie par l’étude publiée en 1929 par Edwin Hubble.

Les progrès ultérieurs sont nombreux car les astronomes comprennent rapidement que les caractéristiques d’Andromède sont très proches de celles de la Voie lactée. Ces progrès continuent aujourd’hui en particulier grâce au télescope spatial Hubble de la N.A.S.A. en coopération avec l’Agence spatiale européenne. Le programme P.H.A.T. (pour Panchromatic Hubble Andromeda Treasury) a ainsi pu établir en 2015 un panorama en haute définition de la partie centrale de la galaxie d’Andromède par un assemblage de plus de 7 000 photographies prises par deux caméras embarquées dans le satellite Hubble, à diverses longueurs d’onde, du proche infrarouge au proche ultraviolet. Une autre étude utilisant les données récoltées par Hubble a découvert en 2015 un gigantesque halo autour d’Andromède. Cela impliquerait que la fusion d’Andromède et de la Voie lactée commencerait dans quelques milliards d’années.

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