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Le Groupe local

Le Groupe local est un ensemble gravitationnellement lié de plusieurs dizaines de galaxies, dont notre Voie lactée fait partie, s'étendant sur un diamètre d'environ 10 millions d'années-lumière. Sa masse totale est estimée à environ 2 à 3.1012 masses solaires, dont l'écrasante majorité se trouve sous forme de matière sombre, distribuée de manière diffuse entre les galaxies et dans leurs halos étendus.  Au total, le nombre de galaxies confirmées dans le Groupe local dépasse désormais la centaine, et la majorité sont des galaxies naines irrégulières ou sphéroïdales, souvent situées à la limite de détection, si bien que des membres encore inconnus, très diffus et de très faible brillance de surface, continuent d'être découverts. La structure dynamique du Groupe local peut être décomposée en deux sous-groupes principaux centrés respectivement sur la Voie lactée et M 31 (Andromède), plus ,M 33 (Triangle), à proximité de la Galaxie d'Andromède et quelques galaxies isolées comme la galaxie irrégulière IC 10 ou la galaxie naine WLM, situées en périphérie et dont l'appartenance gravitationnelle au groupe est avérée.

La répartition de la masse dans le Groupe local est un sujet central de l'astrophysique contemporaine. Les courbes de rotation des galaxies spirales et les dispersions de vitesse dans les naines indiquent que la matière visible ne représente que quelques pourcents de la masse totale. Le reste se trouve sous forme de matière sombre. Les observations indirectes par effet de lentille gravitationnelle faible et l'analyse des courants stellaires permettent de cartographier la distribution de cette masse invisible autour de la Voie lactée et d'Andromède, et révèlent d'immenses halos étendus sur plusieurs centaines de milliers d'années-lumière, qui s'interpénètrent probablement déjà dans la zone située entre les deux galaxies. L'existence d'une population de galaxies naines manquantes, longtemps en débat, a été en grande partie résolue par la découverte des naines ultra-faibles, mais des questions persistent quant à la densité des halos de matière sombre au centre de certaines naines et à la possible existence de galaxies purement sombres, dépourvues d'étoiles.
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La Galaxie
(La Voie lactée)

M 31, And

M 33, Tri

Grand Nuage de Magellan, Dor

Petit Nuage de Magellan, Tuc

SagDEG, Sgr
La Naine du Sagittaire

Leo A, Leo

Leo P, Leo

WLM, Cet

Plusieurs amas de galaxies (Groupe du Sextant, groupe du Sagittaire, etc.) existent près du Groupe Local. Ils appartiennent tous à un superamas centré sur l'Amas de la Vierge (Virgo), le Superamas Local, ou Superamas de la Vierge, lui-même n'étant qu'un élément d'une structure plus vaste mise en évidence en 2015, le superamas Laniakea (Les Grandes structures).

Les galaxies du Groupe local

L'ossature du Groupe local.
Le Groupe local est dominé par trois grandes galaxies spirales : la Voie lactée, la galaxie d'Andromède (M31) et la galaxie du Triangle (M33), qui jouent un rôle déterminant dans son évolution dynamique. Ces trois systèmes concentrent l'essentiel de la masse visible du Groupe local et présentent des caractéristiques communes typiques des grandes galaxies spirales : un disque aplati parcouru de bras spiraux, un bulbe central plus dense, un halo de matière sombre et une population variée d'étoiles couvrant toutes les étapes de l'évolution stellaire. Cependant, leurs différences de masse, de taille et d'histoire évolutive témoignent de parcours distincts. Autour de ces poids lourds gravitent de nombreuses galaxies satellites, principalement des galaxies naines sphéroïdales et irrégulières.
La Voie lactée, la galaxie dans laquelle se trouve le Système solaire, est une galaxie spirale barrée d'environ 100 000 à 120 000 années-lumière de diamètre (voire jusqu'à 200 000 années-lumère selon la définition du bord du disque), contenant plusieurs centaines de milliards d'étoiles, ainsi qu'une grande quantité de gaz, de poussières et de matière sombre. Le Soleil est situé dans le bras d'Orion, à environ 26 000 années-lumière du centre galactique. Au coeur de la Voie lactée se trouve Sagittarius A* (Sgr A*), un trou noir supermassif dont la masse atteint environ quatre millions de fois celle du Soleil. La structure de la Galaxie, typique d'un galaxie spirale barrée, comprend un bulbe central, une barre d'étoiles, plusieurs bras spiraux, un disque mince riche en jeunes étoiles, un disque épais plus ancien et un vaste halo peuplé d'amas globulaires et d'étoiles anciennes. 

La galaxie d'Andromède (M31 dans le catalogue de Messier) est la plus grande et la plus massive galaxie du Groupe local. Située à environ 2,5 millions d'années-lumière de la Terre, elle est visible à l'oeil nu dans un ciel sombre sous la forme d'une faible tache lumineuse dans la constellation d'Andromède. Son diamètre dépasse les 220 000 années-lumière, soit plus que celui de la Voie lactée. Elle renferme probablement un nombre d'étoiles supérieur à un million de millions et possède un trou noir central supermassif beaucoup plus massif que Sgr A*. Son halo gazeux chaud est également plus étendu et plus massif que celui de notre Galaxie.  Sa structure spirale est accompagnée de vastes courants stellaires qui témoignent de nombreuses fusions passées avec des galaxies plus petites. Les observations du télescope spatial Hubble y ont révélé une population stellaire double, avec un disque classique et un disque étendu probablement formé lors d'une fusion passée, ainsi qu'un noyau double étrange qui pourrait être le vestige d'une fusion majeure entre deux galaxies massives survenue il y a plusieurs milliards d'années.

Andromède se rapproche actuellement de la Voie lactée à une vitesse d'environ 110 kilomètres par seconde, et les deux galaxies devraient entrer en collision dans environ quatre à cinq milliards d'années.
La galaxie du Triangle (M33) est située à environ 2,7 millions d'années-lumière, dans la constellation du Triangle, elle est plus petite et moins massive que la Voie lactée et Andromède, avec un diamètre d'environ 60 000 années-lumière. Il s'agit d'une galaxie spirale dépourvue de barre centrale marquée, et même de bulbe central prononcé. M33 contient plusieurs dizaines de milliards d'étoiles et demeure particulièrement riche en gaz, ce qui favorise une intense activité de formation stellaire. Elle abrite notamment NGC 604, l'une des plus vastes régions de formation d'étoiles connues dans le Groupe local, comparable à la nébuleuse de la Tarentule du Grand Nuage de Magellan. Contrairement aux deux autres grandes galaxies du Groupe local, la galaxie du Triangle possède très peu de satellites connus. 
Les observations suggèrent que M33 pourrait être gravitationnellement liée à Andromède et qu'elle orbiterait autour de cette dernière depuis plusieurs milliards d'années. Certaines simulations indiquent qu'elle pourrait être sur une trajectoire de chute vers cette dernière, voire avoir déjà effectué un premier passage rapproché. Elles prévoient aussi qu'elle participera également à la future interaction entre Andromède et la Voie lactée.

Les satellites de la Voie lactée.
La Voie lactée possède, gravitant autour d'elle, une soixantaine de galaxies naines connues, et de nouvelles découvertes restent possibles grâce aux futurs relevés du ciel. Ces petites galaxies constituent des témoins fossiles de l'histoire du Groupe local et offrent un aperçu des mécanismes qui ont conduit à la construction progressive des grandes galaxies spirales comme la Voie lactée. Elles se répartissent principalement entre les galaxies naines sphéroïdales, très pauvres en gaz et dominées par la matière sombre, et quelques galaxies naines irrégulières plus riches en gaz et en formation stellaire. 

Le Grand Nuage de Magellan est la plus massive et la plus brillante des galaxies satellites de la Voie lactée. Situé à environ 163 000 années-lumière de la Terre, il s'agit d'une galaxie naine irrégulière barrée contenant environ 30 milliards d'étoiles. Sa structure est déformée par les interactions gravitationnelles avec la Voie lactée et avec son compagnon proche, le Petit Nuage de Magellan. Cette galaxie possède encore d'importantes réserves de gaz et présente une activité de formation stellaire intense. Elle abrite notamment la nébuleuse de la Tarentule, l'une des plus vastes régions de formation d'étoiles connues dans le Groupe local.

Le Petit Nuage de Magellan, situé à environ 200 000 années-lumière, est également une galaxie naine irrégulière. Plus petite et moins massive que le Grand Nuage de Magellan, elle contient plusieurs milliards d'étoiles et demeure riche en gaz interstellaire et présente une structure allongée le long de la ligne de visée. Les interactions avec son voisin plus massif et avec la Voie lactée ont provoqué la formation du Courant magellanique, un immense filament de gaz s'étendant sur plusieurs centaines de milliers d'années-lumière. 

La galaxie naine du Sagittaire (= SagDEG = Sagittarius Dwarf Elliptical Galaxy) est un exemple remarquable de satellite en cours de destruction. Découverte en 1994, elle se trouve à environ 70 000 années-lumière du centre galactique et traverse actuellement le disque de la Voie lactée. Les forces de marée exercées par notre galaxie arrachent progressivement ses étoiles, qui forment de longs courants stellaires entourant la Voie lactée. Cette galaxie a probablement déjà perdu une grande partie de sa masse initiale.

La galaxie naine du Grand Chien est l'une des plus proches galaxies satellites connus. Située à environ 25 000 années-lumière du Soleil, elle est difficile à observer car elle se trouve derrière les régions très denses du disque galactique. Elle est également en cours d'assimilation par la Voie lactée et pourrait être responsable de certaines structures stellaires observées dans les régions externes du disque.

La galaxie naine du Sculpteur (Sculptor) est une galaxie sphéroïdale située à environ 290 000 années-lumière. Découverte en 1937, elle est composée essentiellement d'étoiles anciennes et ne contient pratiquement plus de gaz. Sa faible luminosité contraste avec l'importante quantité de matière sombre qu'elle semble renfermer. Les mouvements de ses étoiles en font un laboratoire privilégié pour étudier la nature de cette composante invisible.

La galaxie naine du Fourneau (Fornax), située à environ 460 000 années-lumière, possède elle aussi une population stellaire majoritairement ancienne. Malgré sa faible masse, elle contient plusieurs amas globulaires et présente des indices d'épisodes de formation stellaire survenus à différentes époques de son histoire. Son étude apporte des informations précieuses sur les premières générations d'étoiles.

La galaxie naine du Dragon (Draco) se trouve à environ 250 000 années-lumière. Très peu lumineuse, elle est presque entièrement dépourvue de gaz et ne forme plus d'étoiles depuis plusieurs milliards d'années. Comme de nombreuses galaxies naines sphéroïdales, elle semble être fortement dominée par la matière sombre, ce qui en fait une cible importante pour les recherches sur la dynamique galactique.

• La galaxie naine de la Petite Ourse (Ursa Minor)est l'un des satellites les plus anciens connus. Située à environ 225 000 années-lumière, elle contient principalement des étoiles âgées de plus de dix milliards d'années. Son histoire suggère qu'elle a subi une évolution relativement calme après une phase initiale de formation stellaire intense.

La galaxie naine du Sextant (Sextans), celle du Carène, celle du Lion I et celle du Lion II appartiennent également à la catégorie des galaxies naines sphéroïdales. Toutes présentent une faible luminosité, une très faible teneur en gaz et une forte proportion de matière sombre. Certaines montrent des populations stellaires variées, indiquant que leur formation d'étoiles s'est déroulée sur plusieurs milliards d'années.

Au-delà de ces deux objets, une myriade de galaxies naines sphéroïdales et ultra-faibles, telles que Reticulum II, Tucana III ou Segue 1, gravitent autour de la Voie lactée, principalement détectées au cours des deux dernières décennies grâce aux relevés profonds comme le Sloan Digital Sky Survey. Ces objets ne contiennent parfois que quelques milliers d'étoiles visibles mais pourraient posséder une masse totale beaucoup plus importante grâce à la matière sombre. Leur existence contribue à résoudre partiellement le "problème des satellites manquants", qui opposait les prédictions théoriques du modèle cosmologique aux observations. Leur distribution spatiale semble s'organiser dans un plan assez mince, le plan des satellites, une configuration dont l'origine demeure débattue mais qui pourrait résulter de l'accrétion d'un groupe de galaxies naines le long d'un filament cosmique.

Les satellites d'Andromède.
La grande galaxie d'Andromède (M31) est également entourée d'un important cortège de galaxies satellites. Plus d'une quarantaine de compagnons ont été identifiés jusqu'à présent, et leur nombre continue d'augmenter grâce aux relevés astronomiques actuels. Le système d'Andromède apparaît plus riche et plus étendu que celui de la Voie lactée. Sa plus grande masse lui permet de retenir un nombre plus important de compagnons gravitationnels.  Comme ceux de la Voie lactée, ces satellites sont majoritairement des galaxies naines sphéroïdales pauvres en gaz, mais certaines présentent des caractéristiques plus complexes. Leur étude permet de mieux comprendre l'évolution des grandes galaxies spirales et les interactions gravitationnelles qui façonnent leur environnement.

M32 est l'un des satellites les plus marquants d'Andromède. Située à environ 2,5 millions d'années-lumière de la Terre, pratiquement à la même distance que M31 elle-même, cette petite galaxie elliptique compacte est particulièrement dense. Elle contient principalement des étoiles anciennes, mais des indices suggèrent qu'elle a connu plusieurs épisodes de formation stellaire au cours de son histoire. Sa structure inhabituelle pourrait résulter d'interactions gravitationnelles ayant arraché une grande partie de ses régions externes.

M110 (NGC 205) est l'autre grand satellite visible d'Andromède. Cette galaxie elliptique naine possède une masse supérieure à celle de M32 et présente une structure plus diffuse. Contrairement à de nombreuses galaxies sphéroïdales, elle renferme encore un peu de gaz et de poussière, ainsi que des populations stellaires relativement jeunes. Ces caractéristiques indiquent que sa formation stellaire s'est poursuivie jusqu'à une époque relativement récente.

NGC 147 et NGC 185 constituent un couple remarquable de galaxies naines elliptiques orbitant autour d'Andromède. Toutes deux sont situées dans la constellation de Cassiopée et présentent des caractéristiques différentes malgré leur proximité. NGC 147 est pauvre en gaz et dominée par des étoiles anciennes, tandis que NGC 185 contient encore du gaz, de la poussière et quelques régions de formation stellaire. NGC 185 renferme également plusieurs amas globulaires et a probablement connu une activité stellaire récente à l'échelle cosmique.

La galaxie d'Andromède I est une galaxie naine sphéroïdale découverte en 1970. Elle se situe à environ 130 000 années-lumière d'Andromède et contient essentiellement des étoiles âgées et pauvres en éléments lourds. Comme beaucoup de satellites de M31, elle est fortement dominée par la matière sombre et ne montre aucune activité actuelle de formation stellaire.

Andromède II est l'un des satellites les plus massifs parmi les galaxies naines sphéroïdales du système de M31. Sa population stellaire est plus diversifiée que celle de nombreux autres satellites, ce qui suggère plusieurs épisodes distincts de formation d'étoiles. Des études dynamiques ont révélé une rotation inhabituelle de ses étoiles, pouvant résulter d'une ancienne fusion entre deux galaxies naines.

Andromède III est une galaxie très peu lumineuse dont les étoiles sont principalement anciennes. Sa structure allongée et sa faible densité en font un exemple typique des galaxies naines sphéroïdales du Groupe local. Elle ne contient pratiquement plus de gaz interstellaire.

Andromède V, VI et VII appartiennent également à cette catégorie. Andromède VII, parfois appelée Galaxie naine sphéroïdale de Cassiopée (Cassiopeia Dwarf), est l'un des plus grands satellites sphéroïdaux d'Andromède. Elle possède une population d'étoiles relativement étendue et semble avoir connu une évolution plus complexe que celle des satellites les plus faibles.

Andromède XIV, XV, XVI, XVII et plusieurs autres satellites découverts au XXIe siècle appartiennent à la population des galaxies naines ultra-faibles. Ces objets ne contiennent que quelques centaines de milliers, voire quelques dizaines de milliers d'étoiles visibles. Ils constituent des laboratoires précieux pour l'étude de la matière sombre et de la formation des premières structures galactiques.

Comme dans le cas de la Voie lactée, certaines observations suggèrent qu'une partie des satellites d'Andromède est organisée selon un vaste plan relativement mince. Plusieurs galaxies qu'on y remarque semblent partager un mouvement orbital cohérent. Cette disposition inattendue demeure un sujet de recherche actif, car elle pourrait fournir des informations importantes sur les mécanismes de formation des systèmes de satellites.

Dynamiques gravitationnelle et chimique du Groupe local

Les interactions gravitationnelles.
L'histoire du Groupe local commence dans le champ de densité primordial. Selon le scénario qui peut se déduire du modèle cosmologique standard, la matière sombre froide des premiers temps de l'expansion cosmique s'effondre en halos hiérarchiques, les petites structures se forment d'abord et fusionnent pour construire des systèmes plus massifs. Le gaz tombe dans les puits de potentiel de ces halos, se refroidit et allume les premières étoiles. Les galaxies naines irrégulières et sphéroïdales actuelles représentent les vestiges de cette première génération de blocs, dont beaucoup ont été accrétés et détruits par les spirales majeures. 

La dynamique à grande échelle est ensuite marquée par le mouvement de rapprochement de la Voie lactée et de la galaxie d'Andromède. Le timing argument de Kahn et Woltjer, utilisant la masse estimée du Groupe local et leur vitesse relative, suggère que ces deux galaxies se sont formées très près l'une de l'autre dans le flot d'expansion universelle avant de se retrouver liées, et que leur premier rapprochement remonte à une dizaine de milliards d'années. 

Depuis,  en raison de la friction dynamique, un phénomène par lequel les halos de matière sombre des deux galaxies interagissent et dissipent de l'énergie orbitale, leurs trajectoires se dégradent progressivement. La Voie lactée et M31 se rapprochent l'une de l'autre à environ 110 kilomètres par seconde. Ce rapprochement, couplé à la composante tangentielle mesurée par les satellites astrométriques Gaia et Hubble, permet de prédire une collision frontale ou en tout cas une fusion majeure entre notre Galaxie et celle d'Andromède dans environ 4,5 milliards d'années.  Il ne s'agira pas d'une collision frontale d'étoiles, celles-ci étant trop espacées, mais d'une fusion violente de leurs structures gazeuses et de leurs halos de matière sombre. Cette interaction gravitationnelle chaotique finira par dissiper les bras spiraux pour former une unique et massive galaxie elliptique parfois nommée Lactomède (ou Milkomeda en anglais). Le phénomène devrait s'accompagner d'une vague de formation stellaire intense et d'une profonde réorganisation des orbites stellaires et des systèmes satellites. La probabilité que le Soleil soit affecté directement est quasi nulle, mais il est probable que le Système solaire se retrouve alors sur une orbite très différente dans la nouvelle galaxie.

Parallèlement à cette interaction majeure, la galaxie du Triangle (M33) intervient de manière complexe dans l'équilibre gravitationnel du Groupe Local. Les observations de sa vitesse et de sa trajectoire suggèrent qu'elle est gravitationnellement liée à Andromède, agissant comme une galaxie satellite en orbite autour de cette dernière. Cependant, la dynamique à trois corps (Voie lactée, Andromède, Triangle) rend son orbite instable à très long terme et son avenir reste indécis. Lors de la future fusion entre la Voie lactée et Andromède, la galaxie du Triangle pourrait être éjectée du Groupe Local par effet de fronde gravitationnelle, ou bien être capturée et absorbée par la nouvelle galaxie elliptique en formation, ajoutant sa masse au résultat final.

Les forces de marée, manifestations directes des gradients de gravité, sont particulièrement visibles dans les interactions entre les galaxies majeures et leurs satellites nains. Du côté de la Voie lactée, les Nuages de Magellan subissent une influence gravitationnelle intense. Leurs orbites les amènent à interagir non seulement avec notre galaxie, mais aussi entre eux. Cette interaction mutuelle, combinée aux forces de marée de la Voie lactée, a arraché d'immenses quantités de gaz hydrogène, créant le Courant magellanique, une traînée de matière qui s'étend sur des centaines de milliers d'années-lumière, ainsi que le Pont magellanique qui relie les deux nuages. Le Grand Nuage de Magellan, étant particulièrement massif, subit lui aussi une friction dynamique qui fait lentement décroître son orbite, le destinant à une fusion avec la Voie lactée bien avant la collision avec Andromède.
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Les Nuages de Magellan en perpétuelle confrontation

Séparés actuellement d'environ 65 000 à 80 000 années-lumière, Le Grand Nuage de Magellan et le Petit Nuage de Magellan exercent l'un sur l'autre des forces de marée suffisamment importantes pour redistribuer leur gaz, perturber leurs disques stellaires et générer de vastes structures visibles à l'échelle de centaines de milliers d'années-lumière. Plusieurs passages rapprochés au cours des derniers milliards d'années ont aussi, pour cette raison, progressivement modifié leur apparence actuelle.

L'asymétrie de masse entre les deux objets entraîne des effets plus prononcés sur le Petit Nuage. Celui-ci présente aujourd'hui une forme très irrégulière, sans disque bien défini, témoignant d'une histoire de perturbations répétées. Des simulations numériques suggèrent qu'une rencontre particulièrement rapprochée, survenue il y a environ 100 à 300 millions d'années, aurait profondément remodelé le Petit Nuage et déclenché d'importants épisodes de formation stellaire dans les deux galaxies.

L'une des structures les plus remarquables résultant de cette interaction est le Pont magellanique. Il s'agit d'une structure filamenteuse composée principalement d'hydrogène neutre et d'étoiles jeunes, s'étendant  entre les deux nuages sur environ 30 000 années-lumière. Ce pont est le résultat de forces de marée intenses exercées lors de rencontres rapprochées passées, probablement il y a environ 200 à 300 millions d'années. Sous l'effet de ces forces, le gaz et les étoiles ont été arrachés des régions périphériques du Petit Nuage, créant un lien physique tangible qui permet un transfert de matière. Des observations récentes ont confirmé la présence de populations stellaires jeunes au sein de ce pont, ce qui indique que la compression du gaz lors de ces interactions a déclenché des épisodes de formation d'étoiles directement dans cet espace intergalactique.

Au-delà de ce lien direct, l'interaction avec la Voie lactée amplifie ces phénomènes, donnant naissance à des structures à grande échelle telles que le Courant magellanique et le Bras avant, qui.  témoignent d'un processus continu de perte de masse, où les Nuages de Magellan agissent comme des réservoirs de gaz pour le halo de la Voie lactée. Le Courant magellanique, alimenté surtout par le Petit Nuage, se présente comme un immense ruban de gaz s'étendant sur plus de 100 degrés dans le ciel, derrière les deux Nuages dans leur orbite autour de notre Galaxie. Principalement composée d'hydrogène neutre, il contient également des gaz ionisés et des éléments plus lourds. Son origine est attribuée à la combinaison des interactions mutuelles entre les deux Nuages et de l'influence gravitationnelle exercée par la Voie lactée. Il se comprend comme une queue de marée, c'est-à-dire un ensemble de matériaux arrachés aux galaxies au cours de leurs rencontres successives. À l'opposé du Courant magellanique se trouve l'Avant-courant magellanique (Leading Arm ou Bras avant), constitué de plusieurs filaments gazeux situés en avant du mouvement orbital des Nuages. Cette structure résulte d'un mélange complexe de gaz éjecté lors d'interactions passées et de matière intergalactique accrétée. 

Les perturbations gravitationnelles influencent également la distribution des étoiles à l'intérieur des galaxies. Dans le Grand Nuage de Magellan, la barre centrale apparaît décalée par rapport au centre géométrique du disque. Cette dissymétrie est habituellement interprétée comme la signature d'interactions passées avec le Petit Nuage. Les régions périphériques du Grand Nuage présentent des bras spiraux asymétriques et des concentrations d'étoiles qui semblent avoir été induites par ces rencontres. 

Ces perturbations gravitationnelles jouent aussi un rôle de catalyseur majeur dans l'activité de formation stellaire les deux Nuages. La compression des nuages de gaz moléculaire, provoquée par les ondes de densité générées lors des passages rapprochés, favorise l'effondrement gravitationnel local. Cela se traduit par des sursauts de formation stellaire asymétriques, particulièrement visibles dans les régions du Petit Nuage proches du Grand Nuage, ainsi que dans certaines zones du Grand Nuage lui-même, à l'instar de la nébuleuse de la Tarentule (30 Doradus). Ces épisodes ont enrichi le milieu interstellaire en éléments lourds et ont donné naissance à de nombreux amas ouverts et associations d'étoiles massives de type OB, dont la distribution spatiale trace directement l'histoire dynamique des perturbations subies par les galaxies. 

Les interactions concernent aussi les halos de matière sombre des deux galaxies. Les simulations montrent que la présence de ces halos modifie les trajectoires orbitales, amortit certaines perturbations et détermine l'efficacité des transferts de matière. Il est même possible que le Petit Nuage de Magellan ait été longtemps lié gravitationnellement au Grand Nuage avant leur arrivée commune dans l'environnement de la Voie lactée. De plus, en se déplaçant dans le halo de matière sombre et de gaz de la Voie lactée, les Nuages perdent progressivement de l'énergie orbitale. Ce mécanisme tend à réduire leurs vitesses relatives et pourrait, à très long terme, conduire à leur fusion mutuelle ou à leur absorption par la Voie lactée. 

Ajoutons qu'une notion nouvelle, celle de couronne magellanique a émergé récemment : il s'agit d'un vaste halo de gaz chaud et ténu entourant principalement le Grand Nuage. Cette couronne joue un rôle protecteur crucial en empêchant le gaz froid interne des nuages d'être trop rapidement balayé par la pression dynamique du milieu intergalactique de la Voie lactée, modulant ainsi le rythme auquel le Pont et le Courant magellanique sont alimentés.

Du côté d'Andromède, le processus de cannibalisme galactique est encore plus avancé et visible. M 32 pourrait être le noyau résiduel d'une galaxie spirale beaucoup plus grande qui, par le passé, s'est trop approchée d'Andromède. Les forces de marée colossales de la galaxie hôte ont alors arraché la quasi-totalité de ses étoiles externes et de son gaz, ne laissant que ce noyau compact. Les courants stellaires observés autour d'Andromède, formés d'étoiles arrachées à d'autres galaxies naines détruites, témoignent de cette histoire violente d'accrétion gravitationnelle continue qui façonne la structure des grandes galaxies.

La matière sombre constitue environ 85 % de la masse du Groupe Local et joue le rôle d'échafaudage gravitationnel invisible. Les halos de matière sombre des différentes galaxies s'interpénètrent et interagissent bien avant que les disques stellaires visibles n'entrent en contact. C'est cette composante sombre qui assure la cohésion du Groupe Local, empêchant les galaxies satellites de s'échapper, et c'est elle qui est principalement responsable de la friction dynamique qui ralentit les orbites et précipite les fusions. La distribution de cette matière sombre détermine également la trajectoire exacte de la chute d'Andromède vers la Voie lactée.

L'évolution chimique.
L'évolution chimique du Groupe local est l'enregistrement direct des cycles de formation stellaire et des taux d'explosion de supernovae. Dès les premières étoiles de population III, massives et dénuées d'éléments lourds, des noyaux d'atomes comme le carbone, l'oxygène, le magnésium et le fer sont synthétisés puis dispersés dans le milieu interstellaire. Les supernovae à effondrement de coeur (type II) enrichissent rapidement le gaz en éléments alpha (O, Mg, Si, Ca) sur des échelles de quelques millions d'années, tandis que les supernovae thermonucléaires (type Ia), produites par des systèmes binaires de naines blanches, libèrent surtout du fer avec un délai de plusieurs centaines de millions à milliards d'années. Le rapport d'abondance alpha sur fer, [α/Fe], devient ainsi un chronomètre cosmique local : dans une galaxie dont le rythme de formation stellaire est soutenu, comme le disque épais de la Voie lactée, les supernovae de type II dominent l'enrichissement jusqu'à ce que le rapport [Fe/H] atteigne une valeur seuil, le "genou chimique", après quoi les supernovae de type Ia font brutalement baisser [α/Fe]. Dans les galaxies naines, où le taux de formation d'étoiles est bien plus faible, ce genou se manifeste à une métallicité plus basse, car le délai pour que les supernovae de type Ia entrent en jeu est similaire en temps absolu, mais le nombre d'étoiles formées entre-temps est bien moindre. Ainsi, les distributions détaillées des abondances dans les étoiles résolues de galaxies comme celles du Sculpteur, du Fourneau ou du Sextant révèlent des séquences d'enrichissement très différentes de celle du voisinage solaire.

La relation masse-métallicité, observée à la fois dans les galaxies spirales et naines, constitue un autre marqueur de l'évolution chimique du Groupe local : les galaxies moins massives sont systématiquement plus pauvres en métaux. Cette relation s'explique par la moindre efficacité de la rétention des produits d'enrichissement. Dans un puits de potentiel superficiel, les vents stellaires et les ondes de choc des supernovae peuvent expulser une fraction importante des éléments lourds hors de la galaxie, parfois jusqu'au milieu circumgalactique, alors que les puits plus profonds des grandes spirales recyclent ce matériau enrichi dans de nouvelles générations d'étoiles. Les nuages de Magellan illustrent un cas intermédiaire : le Grand Nuage, de masse plus élevée, a atteint une métallicité moyenne plus forte que le Petit Nuage, et tous deux présentent des disques gazeux en rotation avec des gradients radiaux d'abondance. Leur interaction mutuelle et leur passage près de la Voie lactée ont déclenché des sursauts de formation stellaire visibles dans leurs amas globulaires d'âge intermédiaire et dans les ponts de gaz qui les relient, modulant leur enrichissement chimique de façon non monotone.

Les galaxies naines sphéroïdales satellites de la Voie lactée offrent une fenêtre précieuse sur les processus chimiques des petits systèmes, car leurs étoiles sont résolubles individuellement et se prêtent à la spectroscopie haute résolution. Leur masse stellaire modeste, généralement inférieure à dix millions de masses solaires, s'accompagne de distributions de métallicité étendues mais toujours décalées vers les basses valeurs. La galaxie du Fourneau, l'une des plus massives d'entre elles, présente une large plage de [Fe/H] allant de -3 à -0,5 et montre une décroissance continue de [α/Fe] avec l'augmentation de [Fe/H], signe que sa formation stellaire a duré plusieurs milliards d'années, laissant le temps aux supernovae de type Ia d'enrichir le gaz en fer. À l'inverse, des systèmes comme la galaxie du Dragon ou celle de la Petite Ourse ont formé l'essentiel de leurs étoiles en moins de deux milliards d'années et présentent des abondances alpha constamment élevées. Ces chronologies chimiques sont cohérentes avec la troncature rapide de la formation stellaire dans les petites naines, souvent imputée à leur immersion dans le halo chaud de la Voie lactée, au décapage par pression dynamique ou aux forces de marée qui ont arraché leur gaz.

L'étude de l'évolution chimique du halo de la Voie lactée offre également une pièce maîtresse à l'histoire du Groupe local. Grâce aux grands relevés spectroscopiques comme APOGEE, GALAH et Gaia, on a pu établir que le halo stellaire interne s'est formé en grande partie par l'accrétion d'une galaxie massive baptisée Gaïa-Encelade, environ dix milliards d'années après le début de l'expansion cosmique. Les étoiles issues de cette fusion se distinguent par leur cinématique rétrograde et par un rapport [α/Fe] légèrement plus bas que celui des étoiles formées in situ dans le proto-disque épais. La contrepartie chimique de cet événement est visible sous la forme de deux chemins d'enrichissement : un premier, à alpha élevé, associé aux étoiles nées dans la Voie lactée primitive après l'effondrement monolithique ou les fusions mineures très précoces, et un second, à alpha plus modéré, provenant du satellite accrété qui avait déjà une histoire d'enrichissement prolongée. Ce constat a transformé notre vision de la formation du halo, autrefois décrit par un simple effondrement monolithique, en un scénario dominé par les accrétions, où la chimie sert de véritable marqueur généalogique.

Andromède, bien que plus difficile à résoudre en étoiles individuelles à cause de son éloignement, a révélé par photométrie profonde et spectroscopie de champ intégral des structures halo complexes, comme le courant géant méridional, vestige d'une accrétion majeure. Sa population d'amas globulaires exhibe une bimodalité de couleurs qui reflète une bimodalité métallique, similaire à celle de la Voie lactée, mais les détails de la relation âge-métallicité diffèrent, suggérant un assemblage hiérarchique plus étalé dans le temps. Les observations du télescope spatial Hubble et du relevé PAndAS ont cartographié un halo d'étoiles et de courants de marée qui s'étend jusqu'à 500 000 années-lumière, indiquant qu'Andromède a cannibalisé plusieurs satellites relativement massifs au cours des huit derniers milliards d'années. Son disque chimique montre un gradient d'abondance d'oxygène plus plat que celui de la Voie lactée, peut-être dû à des phénomènes de mélange radial plus efficaces, eux-mêmes déclenchés par des interactions répétées avec ses compagnons.

L'évolution du gaz circumgalactique est un autre aspect important pour comprendre la chimie du Groupe local. Les halos de gaz chaud, détectés par absorption UV lointain et par émission X, contiennent une quantité de baryons comparable à celle des étoiles des galaxies centrales, et ils sont enrichis en métaux jusqu'à des rayons de plus de 300.000 années-lumière. Ces réservoirs agissent comme des régulateurs : ils refroidissent lentement pour alimenter la formation d'étoiles des disques, mais ils peuvent aussi être réchauffés et expulsés par les noyaux actifs de galaxies et les supernovae. Dans les galaxies naines, le décapage par pression dynamique lorsqu'elles traversent le halo de la Voie lactée arrache le gaz froid, interrompt leur activité de formation stellaire et laisse derrière elles des traînées enrichies. Le courant magellanique constitue l'exemple le plus spectaculaire de ce processus : il provient du décapage par marée et par pression dynamique du gaz des deux Nuages de Magellan, et son spectre révèle des abondances correspondant à celles du Petit Nuage, avec une contribution partielle du Grand Nuage. Ce transfert de matériau enrichi à travers le Groupe local homogénéise partiellement les abondances du milieu intergalactique proche.

La problématique des satellites manquants et des galaxies trop sombres a aussi une composante chimique. Les simulations cosmologiques prédisent l'existence de nombreux halos nains autour de la Voie lactée qui n'auraient jamais formé d'étoiles, ou seulement une infime population d'amas. La découverte de galaxies ultrafaibles comme Segue 1, dont la masse dynamique est dominée à plus de 99 % par la matière sombre, montre que les processus d'enrichissement ont été extrêmement inefficaces dans ces puits de potentiel peu profonds. Les quelques étoiles observées dans ces systèmes affichent des métallicités extrêmement basses, de l'ordre de [Fe/H] égal à moins trois, et des abondances en éléments alpha très élevées, cohérentes avec un unique sursaut de formation stellaire rapidement étouffé. Ces galaxies apparaissent comme les fossiles vivants de l'époque de la réionisation, car le fond ultraviolet cosmologique a pu chauffer le gaz et empêcher son accrétion ultérieure, figeant ainsi leur évolution chimique il y a plus de douze milliards d'années.

La diversité des histoires d'enrichissement se lit encore dans les abondances relatives des éléments issus de captures neutroniques lentes ou rapides. Le baryum, l'europium, le strontium dans les étoiles des galaxies naines suivent des tendances distinctes de celles de la Voie lactée, ce qui permet de contraindre la contribution respective des supernovae à effondrement de coeur et des fusions d'étoiles à neutrons à l'enrichissement en éléments r (= éléments issus d'une capture neutronique rapide). Par exemple, la galaxie naine Réticule II a livré une signature particulière en europium, indiquant qu'une seule fusion d'étoiles à neutrons a pu enrichir de manière inhomogène le gaz d'une galaxie entière de faible masse. Ce type d'événement rare illustre comment la chimie du Groupe local est sensible aux processus stochastiques dans les petits volumes, là où le rendement d'une seule source peut dominer l'abondance globale.

L'avenir du Groupe local prolongera cette évolution. La fusion de la Voie lactée avec Andromède qui devrait, comme on l'a dit, former Lactomède, dont le milieu interstellaire sera brutalement comprimé, déclenchant un sursaut de formation d'étoiles, suivi d'un épuisement rapide du gaz froid. Les abondances chimiques de la future galaxie refléteront le mélange des populations stellaires des deux spirales et de leurs satellites survivants. Les galaxies naines qui auront échappé à la cannibalisation directe pourront poursuivre une évolution lente et tranquille, mais la plupart seront fusionnées en quelques dizaines de milliards d'années. Le Groupe local, isolé dans l'expansion cosmique, restera un système fermé où les éléments lourds déjà synthétisés ne quitteront jamais complètement ses limites, piégés dans les étoiles mortes, le gaz chaud et les naines brunes. 

Le Groupe local pris dans la toile cosmique

Le Groupe local est un petit archipel de galaxies inséré dans une structure aplatie appelée le Feuillet local, une sorte de nappe de galaxies qui s'étend sur environ trente millions d'années-lumière d'épaisseur mais sur une longueur bien plus grande. Ce Feuillet local rassemble, outre le Groupe local, d'autres petits groupes brillants comme le groupe de M81, le groupe de M101 (Grande Ourse) ou le groupe du Sculpteur. La géométrie de cette nappe est intimement liée à la présence du Vide local, une immense bulle de l'espace remarquablement pauvre en galaxies, qui s'ouvre juste à côté de nous. Le Groupe local occupe une position privilégiée en bordure de ce vide, accroché au mur de galaxies qui le délimite, comme une écume sur la crête d'une vague cosmique.

À plus grande échelle, le Feuillet local lui-même n'est qu'un appendice d'une structure bien plus imposante : le Superamas de la Vierge. Ce superamas, qui s'étale sur une centaine de millions d'années-lumière de diamètre, regroupe une centaine d'amas et de groupes de galaxies organisés autour de l'Amas de la Vierge, un noeud dense de plus de 1300 galaxies situé à environ 16 mégaparsecs (52 millions d'années-lumière) du Groupe local. Ce dernier occupe une position franchement excentrée au sein de ce superamas : il se trouve dans un filament tentaculaire qui s'étire loin de l'amas central, dans une région relativement peu dense. 

Les galaxies du Groupe local ne sont pas attirées vers l'Amas de la Vierge avec une force suffisante pour y tomber. Elles sont lentement attirées vers une structure encore plus massive, le Grand Attracteur, une concentration de masse dissimulée derrière le plan de la Voie lactée dans la direction des constellations du Centaure et de la Règle (Norma), à quelque deux cents millions d'années-lumière. Ce Grand Attracteur, qui gouverne en fait le mouvement de toutes les galaxies du Superamas de la Vierge et de bien d'autres groupes alentour, est lui-même associé à un complexe de superamas encore plus vaste, situé derrière lui par rapport à nous, et appelé l'Amas de Shapley (attracteur de Shapley).

Une révision majeure de cette cartographie est intervenue en 2014, avec la délimitation du superamas Laniakea par Brent Tully et son équipe (Hélène Courtois, Yehuda Hoffman et Daniel Pomarède), et dont le Superamas de la Vierge n'est lui-même qu'un lobe. Laniakea, qui signifie ciel immense en hawaïen, est la plus grande structure à laquelle le Groupe local soit gravitationnellement lié. En cartographiant les flux de vitesse particulière des galaxies (leur déplacement par rapport au fond cosmologique diffus), les astronomes ont mis en évidence son immense bassin d'attraction, qui  inclut l'amas de la Vierge, l'amas de l'Hydre, du Centaure et d'autres, et s'étendant sur environ 1,7 milliards d'années-lumière (520 mégaparsec) et contenant quelque 100 000 galaxies pour une masse de l'ordre de 10⁵ masses solaires. 

Laniakea fait partie de la toile cosmique, la structure à grande échelle de l'univers observable, organisée en  murs (comme le mur de la Vierge), en filaments (comme le filament Persée-Poissons) et en noeuds (les amas riches), séparés par d'immenses vides presque déserts appelés supervides. Au sein de Laniakea, le Groupe local se situe dans un sous-ensemble en lisière, sur un filament secondaire qui s'étire vers le Grand Attracteur, dans une région plutôt discrète de cette toile, à l'écart des grands noeuds, mais relié par des ponts de matière ténue à d'autres petits groupes. Le Groupe local se situe par ailleurs à la marge d'un supervide, le Vide local (Local Void), une région sous-dense de plusieurs dizaines de millions d'années-lumière qui s'étend dans les directions de la constellation du Verseau et du Sagittaire. Cette position en bordure de vide a son importance : elle génère un flux de répulsion supplémentaire (associé à ce qu'on appelle le répulseur du dipôle [ = en référence à l'anisotropie dipolaire du fond diffus cosmologique, qui résulte du mouvement de la Terre (et, plus largement des galaxies de l'univers local, selon la direction du dipôle]; l'autre composante étant l'attracteur de Shapley) qui pousse le Groupe local et l'ensemble de Laniakea vers des régions plus denses de la toile.
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Le groupe Local et le superamas Laniakea.
Les flux de galaxies dans l'univers local. Image centrée sur le Groupe local (point vert) et le superamas local (nuage vert). Source : Nature, 4/9/2014.
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