Les quasars

Contribution: Maylis Lavayssière, Sylvain Rondi

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Présentation générale

        Les quasars sont des objets "quasi stellaires" dont le spectre visible est caractérisé par un grand décalage vers le rouge dû à un effet Doppler sans précédent. Il s'agit de raies d'éléments connus déplacées par ces objets qui s'éloignent à des vitesses de 50 à 100 000 km.s^-1. Cette vitesse étant due à l'expansion de l'Univers, cela signifie qu'ils sont extrêmement lointains, car les vitesses d'éloignement croissent avec la distance.
        Ces derniers semblent être des noyaux de galaxies très actifs (ce sont des radiosources puissantes) qui pourraient être dans un stade d'activité précoce, due vraisemblablement à la présence d'un trou noir massif en leur centre.
         Ces objets restent encore mal connus de nos jours.

Caractéristiques physiques

        Les quasars sont des émetteurs de rayonnements ultraviolets et X très intenses. Ils sont à l'origine du rayonnement ultraviolet intense dans lequel baigne l'univers et qui est responsable de l'ionisation du milieu intergalactique.
        Environ 10% d'entre eux sont des sources intenses de rayonnement radioélectrique; celles-ci forment des lobes s'étendant sur plusieurs millions d'années-lumière, et qui correspondent à des jets de particules extrêmement rapides: on a parfois l'impression d'observer des jets superluminiques. Il s'agit en fait d'une illusion car nous recevons à des intervalles de temps très rapprochés le rayonnement de jets émis à des époques différentes, à une vitesse très proche de celle de la lumière et dans une direction voisine de la ligne de visée.
        Ces vitesses seraient dues à la présence d'un trou noir d'une masse atteignant plusieurs dizaines de millions de masses solaires. Le plasma n'est pas happé directement par le trou mais il tourbillonne autour, à grande vitesse. Par frottement, il pert une grande partie de son énergie sous la forme de rayonnement divers: rayonnement 3K, Bremssttrahlung (rayonnement de freinage des électrons libre dans le champ des noyaux atomiques), et rayonnement synchrotron (rayonnement de freinage des électrons ultrarelativistes spiralant dans un champ magnétique).

Caractéristiques spectrales

        La distribution de l'énergie lumineuse dans le spectre des quasars est très différente de celle des étoiles. En effet ce dernier n'a pas de maximum, et la densité de flux décroît régulièrement vers les courtes longueurs d'ondes. En général, une partie de cette lumière est émise par le rayonnement synchrotron, le reste étant le spectre continu émis par le nuage de gaz chaud toujours associé au quasar. La présence de ce nuage nous est révélée par les raies d'émission souvent très larges (on ignore encore les raisons de cet élargissement...)
        Les quasars ont des raies spectrales en émission qui ont subi un décalage important vers le rouge. On observe ainsi des raies qui, si elles n'étaient pas décalées, seraient invisibles du fait de l'opacité de l'atmosphère dans certaines longueurs d'ondes; de même, des raies généralement visibles ne le seront plus.
        Dans un même spectre, on pourra trouver les raies de l'atome d'hydrogène (H,H,H et Ly) ainsi que celles de CIV ( 1549), CIII ( 1909), MgII ( 2798),[NeV] ( 3426), [OII] ( 3727), [NeIII] ( 3869), [OIII] ( 5007).

Exemple de Spectre

Deux exemples de spectres de quasars: 3C273 fut le premier quasar identifié comme tel et possède un décalage vers le rouge (redshift) de z=0.1575. Le deuxième objet, APM 08279+5255 a un redshift bien plus important (z=3.87), ce qui en fait un objet très éloigné et ancien.

3C273 - Quasar (z=0.1575) RA = 12h29.1 - DEC = +02°03' - M = 12.5	APM 08279+5255 - Quasar (z=3.87) RA = 8h31.7 - DEC = +52°45' - M = 14.8
Ici, le redshift de "seulement" 0.1575 permet de reconnaitre les raies spectrales habituelles: H-alpha, H-beta, H-gamma et OIII. Néanmoins, ces raies montrent un important décalage vers le rouge de environ 100A par rapport à leur position au repos (rest). Ce décalage permet d'en déduire le redshift de l'objet, donc sa vitesse propre et son éloignement.	Ici, le décalage spectral vers le rouge est trop important (redshift z=3.87) pour pouvoir reconnaitre les raies habituelles du domaine visible: on retrouve ainsi la raie Lyman-alpha aux alentours de 5800A (au lieu de 1216A au repos!), accompagnée d'une "foret de raies" L-alpha, temoins de la matière intergalactique éloignée traversée par la lumière du quasar avant de nous parvenir.

Catalogue de quasars

Il existe assez peu de quasars facilement observables par des moyens amateurs. 3C273 reste le plus brillant; en voici quelques autres:

Cette liste est donc non exhaustive; pour une liste plus complète, se référer à des catalogues comme ceux proposés sur le serveur de l'Observatoire de Strasbourg.

I quasar

A cura di Maylis Lavayssiere e Sylvain Rondi

Presentazione generale

         I quasar sono oggetti "quasi stellari" il cui spettro visibile è caratterizzato da un grande spostamento verso il rosso dovuto a un effetto Doppler considerevole. In questi oggetti, le righe di elementi conosciuti appaiono spostate a causa della loro velocita di allontanamento compresa tra i 50 e i 100 000 km.s^-1. Poiché le velocità di allontanamento, dovute all'espansione dell'universo, crescono con la distanza, la velocita di allontanamento dei quasar li situa a grandissima distanza.
         I quasar sembrano essere nuclei di galassie molto attivi (sono potenti radiosorgenti) che potrebbero essere in uno stadio di attivita precoce, probabilmente dovuta alla presenza di un buco nero massiccio al centro.
         La conoscenza di questi oggetti e ancora molto limitata.

Caratteristiche fisiche

         I quasar emettono radiazioni ultraviolette ed X molto intense. Essi sono all'origine dell'intensa radiazione ultravioletta che permea l'universo e che è responsabile della ionizzazione del mezzo intergalattico.
         Circa il 10% dei quasar sono anche sorgenti intense di emissione radioelettrica, con lobi che si estendono su distanze di diversi milioni di anni luce e che corrispondono a jet di particelle molto veloci. A volte si ha l'impressione di osservare jet superluminali. Si tratta tuttavia di un'illusione ottica dovuta al fatto che riceviamo, a intervalli di tempo ravvicinati, la radiazione proveniente dalla materia emessa sottoforma di jet in momenti diversi, a velocità prossime a quella della luce e in una direzione vicina a quella della linea di vista dell'osservatore.
         Questi jet sarebbero dovuti alla presenza di un buco nero con una massa di diverse decine di milioni di masse solari. Il plasma non è catturato direttamente dal buco nero ma gli spiraleggia intorno a grande velocità e per attrito perde gran parte della sua energia sottoforma di radiazione: emissione 3K, Bremssttrahlung (radiazione di frenamento degli elettroni liberi nel campo dei nuclei atomici), e radiazione di sincrotrone (radiazione di frenamento degli elettroni ultrarelativistici spiraleggianti in un campo magnetico).

Caratteristiche spettrali

         La distribuzione dell'energia luminosa nello spettro dei quasar è molto diversa da quella delle stelle. In effetti, questo non ha un massimo e la densità del flusso decresce regolarmente con la lunghezza d'onda. In generale, una parte di questa luce è emessa come radiazione di sincrotrone, il resto essendo lo spettro continuo emesso dalla nuvola di gas caldo sempre associata al quasar. La presenza di questa nuvola ci è rivelata dalle righe di emissione che spesso appaiono anche molto larghe (si ignora ancora la causa all'origine del loro allargamento...).

         I quasar presentano righe spettrali in emissione che hanno subito un notevole spostamento verso il rosso. Si osservano così righe che, se non fossero spostate, sarebbero altrimenti invisibili a causa dell'opacità dell'atmosfera a certe lunghezze d'onda; in modo del tutto analogo, righe normalmente visibili non lo saranno più.
         In uno stesso spettro si potranno trovare le righe dell'atomo d'idrogeno (H,H,H e Ly) ma anche quelle di CIV ( 1549), CIII ( 1909), MgII ( 2798),[NeV] ( 3426), [OII] ( 3727), [NeIII] ( 3869), [OIII] ( 5007).

Esempi di spettri

Due esempi di spettri di quasar: 3C273 fu il primo oggetto ad essere identificato come quasar e presenta uno spostamento verso il rosso (redshift) di z=0.1575. L'altro quasar, APM 08279+5255 ha un redshift ben più elevato (z=3.87) che designa quindi un oggetto molto lontano e antico.

3C273 - Quasar (z=0. 1575) RA = 12h29.1 - DEC = +02?03' - M = 12.5	APM 08279+5255 - Quasar (z=3.87) RA = 8h31.7 - DEC = +52?45' - M = 14.8
Un redshift di "soltanto" 0.1575 permette di riconoscere le abituali righe spettrali: H-alfa, H-beta, H-gamma e OIII. Tuttavia, queste righe mostrano un importante spostamento verso il rosso di circa 100A rispetto alla loro posizione a riposo (rest). Tale spostamento permette di dedurre il redshift dell'oggetto e quindi la sua velocità propria e la sua distanza.	Lo spostamento spettrale verso il rosso (redshift z=3.87) è tale da rendere difficile riconoscere le righe normalmente presenti nella regione di spettro corrispondente al visibile: la riga Lyman-alfa è, per esempio, spostata a circa 5800A (invece di 1216A a riposo!) e accompagnata da una "foresta di righe" L-alpha rivelatrice della presenza di materia intergalattica distante attraversata dalla luce del quasar prima di raggiungerci.

Catalogo di quasar

Pochi sono i quasar osservabili facilmente con strumenti amatoriali. 3C273 è decisamente il piu luminoso, insieme a pochi altri che riportiamo nella seguente lista:

Questa è quindi una lista non esaustiva; per una lista piu completa rimandiamo a cataloghi come quelli proposti sul server dell'Osservatorio di Strasburgo.

Per la traduzione in italiano un ringraziamento speciale a Marco Angiolo Innocenti.