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Les quasars et autres galaxies à noyau actif

Document Don Dixon.

L'embrasement d'une galaxie (III)

Quel phénomène permet donc de former de telles brasiers à une époque aussi reculée ? Pour l'astronome James Gunn associé de Schmidt, il était impossible que les quasars rayonnent un milliard d'années seulement après le Big Bang; laissons le temfps à la matière de se former ! Si sur le principe il avait rétrospectivement raison, l'explication qui en fut donnée des décennies plus tard s'avéra bien plus complexe que sa boutade.

En 1975, l'astronome théoricien et cosmologiste Martin J. Rees de l'Université de Cambridge, également spécialisé en radioastronomie et l'étude des étoiles à neutrons soutenait comme ses collègues que les quasars étaient "des noyaux galactiques hyperactifs dans lesquels les explosions sont encore plus fortes que dans les étoiles, ce qui signifie que le noyau de la galaxie "aveugle" par son éclat le reste de la galaxie. Voilà pourquoi, quand nous la regardons, nous n'apercevons que la partie de la galaxie située autour du noyau. Je crois que c'est là l'explication la plus plausible" ("Étoiles et galaxies", 1975, p97).

Jusqu'aux années 1990-2000, les astronomes étaient partagés sur le rayonnement des quasars, d'autant plus que selon une théorie soutenue par Halton Arp, certains semblaient reliés à des galaxies "proches" par des ponts de matière. On verra en derrière page les conséquences de cette théorie.

Quand on sait que les quasars abritent vraisemblablement des trous noirs supermassifs, la théorie proposée par Rees nous fait aujourd'hui sourire par sa simplicité désarmante. Pourtant on ne peut pas dire que le professeur Rees soit un amateur ou méconnaisse son sujet. Bien que l'idée que des "explosions" expliquant le rayonnement intense du coeur des quasars ne corresponde pas à la réalité, le concept d'explosion n'est pas totalement faux dans la mesure où la matière subit effectivement une perturbation de nature explosive par les accélérations qu'elle subit et les phénomènes que cela génère. Mais à l'époque, en l'absence de grands télescopes terrestres ou spatiaux capables de fournir des données précises et le manque criant de théories, la réponse de Rees était la plus plausible malgré son approximation.

À défaut de théories et encore moins d'hypothèses un tant soi peu validées par des observations, les astrophysiciens n'eurent pas d'autre choix que de continuer à étudier ces fameux quasars dans différents rayonnements afin de trouver les traces d'une signature correspondant à un phénomène qu'ils connaissaient ou que l'un de leurs modèles avait prédit. À défaut, il fallait théoriser, modéliser ces évènements à l'aide de méthodes statistiques et des premiers ordinateurs et tenter de proposer de nouvelles théories et prédictions. Ainsi va la Science.

La spectroscopie ainsi que les radiotélescopes dont les VLA et VLBA restèrent donc les principaux outils de travail des astronomes, bientôt épaulés et complétés par les données des premiers satellites sensibles aux rayons X, puis gamma, UV et à l'infrarouge, en attendant que la résolution des instruments optiques s'améliore et qu'on puisse les envoyer dans l'espace (il fallut attendre Hubble en 1990 puis le JWST en 2021) pour prendre des photographies en haute résolution de ces objets.

Le rayonnement

L'analyse radioélectrique et spectrale des quasars a révélé qu'il s'agit d'objets d'une nature très particulière, différente des étoiles et des galaxies ordinaires mais ils présentent malgré tout certaines caractéristiques les rapprochant des galaxies, notamment la présence d'étoiles dans leur halo et de nuages de gaz plus ou moins ionisé ainsi que de poussières.

Nous venons de voir que leur décalage Doppler est très important. 3C273 est le quasar le plus connu et le plus étudié. Il brille à la magnitude 12.8 dans la constellation de la Vierge. Son décalage Doppler vers le rouge z=0.159; il se déplace à 48000 km/s et se situe à environ 2 milliards d'années-lumière. Un grand nombre présentent un décalage Doppler z~2 et sont situés à quelque 10 milliards d'années-lumière et on n'en trouve pratiquement pas à courte distance. On en déduit que les quasars sont les reliques d'une époque particulière et ancienne de l'évolution de l'Univers et probablement d'une phase ancestrale et très active du développement des galaxies qu'il faut tenter d'expliquer.

En fonction de la fréquence, l'intensité du rayonnement des quasars est dominée par certains phénomènes physiques, chacun étant associé à un mécanisme d'émission particulier, ce qui ne facilite par leur modélisation.

Entre 1 cm de longueur d'onde (30 GHz) et 10-8 cm (3 milliards de GHz ou 3 EHz) apparaissent 4 composantes : l'émission radio due à l'effet synchrotron, le rayonnement infrarouge provoqué par la poussière chaude, les rayonnements UV et X émis par le disque d'accrétion et les rayons X durs et gamma (> 100 GeV) produits par l'effet Compton inverse[14]. Ces phénomènes produisent des effets bien différenciés :

- Le gaz fortement excité par un fond continu de rayons UV et X libère ses électrons en émettant des raies d'émission intenses, dont celles de l'hydrogène, de l'oxygène, du carbone et de l'azote qui sont plusieurs fois ionisées; la friction des particules agite très fortement le milieu dont le plasma est animé d'une vitesse de l'ordre de 10000 km/s. Ces nuages incandescents (30000 K) restent invisibles en lumière blanche.

- En général le rayonnement très intense décroît à mesure que la fréquence augmente. Le rayonnement radio ne représente que 1% du spectre total d'émission. Cette énergie fluctue de façon irrégulière, l'amplitude du continu pouvant varier de 50% en quelques jours ou quelques mois (type OVV). Au maximum de leur éclat, les quasars brillent avec une luminosité équivalente à 10000 fois celle d'une galaxie ordinaire. Ce rayonnement très irrégulier n'a pas une origine thermique et n'est pas généré par la nucléosynthèse des étoiles.

- Une minorité d'entre eux sont des radiosources. L'émission radio provient de deux lobes de plasma diamétralement opposés, très éloignés de l'objet, dont les particules (équivalentes à des millions de M) sont excitées par le rayonnement intense du quasar. Cette émission radio rappelle la structure des galaxies elliptiques.

Les fluctuations du blazar 1156+295. Il abrite vraisemblablement un trou noir, seul objet pouvant expliquer ce type de manifestation. Document HALCA.

A partir de 1966, les astrophysiciens découvrirent que leur spectre présentait également des raies d'absorption, dont la célèbre "forêt" Lyman alpha (allant de 98 à 121 nm), signature de l’hydrogène neutre dans la partie X-UV du spectre représentant la structure hyperfine de l’hydrogène atomique ou des ions de carbone, d'oxygène et de silicium plusieurs fois ionisés. Ces doublets et autres séquences de raies présentent pour la plupart un même décalage spectral et constituent ce que l’on appelle un “système”. Ils sont associés à de gigantesques halos de plusieurs dizaines de milliers d’années-lumière situés au premier plan, dans la ligne de visée du quasar.

Ces nuages intergalactiques contiennent si peu de métaux par rapport au Soleil (1:10000) qu’ils n’ont probablement pas évolué depuis l’époque du Big Bang. Ces halos ne sont pas homogènes et se divisent en plusieurs fragments qui filtrent la lumière des quasars distants[15].

Lorsque le plasma est émis dans un angle proche de notre ligne de visée, nous assistons également à des effets relativistes : le centre émissif semble se déplacer plus rapidement que la vitesse de la lumière, jusqu'à 45c ! Ces effets ont été observés dans 3C273, 3C47 et une dizaine d'autres sources super-luminiques (SL) depuis 1966[16].

Quelque 10% des quasars présentent des raies d'absorption très larges (BAL) pour certaines éléments métalliques faiblement ionisés (SiIII, MgIII, etc) dont le mécanisme demeure inconnu, tel le "low-BALQSO" 1556+3517. Nous verrons plus loin l'activité de quelques quasars remarquables.

Extraits du catalogue 3CRR

3C272.1 alias M84. 3C274 alias M87.

3C272.1 alias M84

3C274 alias M87

3C47

3C47

3C48

Face à un tel éventail d'émissions parfois extrêment puissantes, les astrophysiciens se sont demandés quel phénomène pouvait expliquer à la fois les rayonnements multispectraux (radio, IR, X et gamma), les jets de plasma relativistes, les raies d'émission et les différentes composantes du fond continu ?

Il fallut patienter plus d'un demi-siècle pour que les astrophysiciens proposent un modèle cohérent et suffisamment complet pour décrire correctement tous ces effets. La théorie devait englober tous les phénomènes touchant aux domaines radioélectrique, magnétique et optique. Les chercheurs firent d'abord appel aux lois de la physique classique ou de l'électromagnétisme avant de se rendre compte qu'ils devaient tenir compte des effets relativistes et que la magnétohydrodynamique serait finalement un bon moyen de les modéliser. Mais à une époque où les simulations informatiques balbutiaient encore, c'était plus facile à dire qu'à faire.

Les astrophysiciens savaient depuis longtemps que le rayonnement intense des quasars était émis par une source relativement compacte située au coeur de l'objet qui irradiait le plasma environnant. Mais avant que Stephen Hawking puis toute une génération d'astronomes s'intéressent aux trous noirs (dans les années 1970), personne ne savait qu'elle était la source de l'énergie phénoménale des quasars et comment elle se transmettait aux particules chargées.

Les quasars ordinaires, d'une masse d'une centaine de millions de soleils ne sont pas à même d'équilibrer la force de radiation. Ils ne peuvent donc pas briller durant plus de 50 millions d'années. Cette courte durée de vie implique que la plupart des galaxies eurent une phase de quasar ou quasi-quasar dans leur jeunesse, il y a une dizaine de milliards d'années.

A la fin du XXe siècle, les théories variaient donc considérablement selon que les astrophysiciens considéraient l’activité des quasars comme un effet induit par des trous noirs supermassifs ou plutôt comme des galaxies ordinaires cachant en leur sein des étoiles très massives qui se consumeraient en quelques millions d’années. Tous ces modèles étaient intéressants car ils confrontaient leurs protagonistes qui n'hésitaient pas à dénoncer les défauts des théories concurrentes, en particulier les spéculations et autres conjectures [17]. Toutefois dès les années 1990, la plupart des astronomes étaient favorables à la théorie du trou noir tapis au centre des quasars, seul astre capable d'expliquer la totalité des évènements observés. C'est à cette époque que naquit le modèle unifié des galaxies à noyau actif. On y reviendra (cf. page 6).

Statistiquement, la distribution actuelle des quasars est d'environ 1 quasar pour 100000 galaxies. Cela étant, on considère aujourd'hui qu'ils étaient 1000 fois plus nombreux il y a plus de 12 milliards d'années, peu de temps après le Big Bang. Leur lumière nous arrivant d'un passé très éloigné, à la date d'aujourd'hui ils ont probablement tous disparu, éteints ou transformés en galaxies géantes. Leur observation reste donc un sujet d'étude très important pour comprendre l'évolution de l'univers.

Bien que situés à plus d'un milliard d'années-lumière, parmi les milliers de quasars connus certains sont visibles dans de petits instruments : 3C273, 3C296, 3C228 (Abel 2199), M87 alias 3C274 (Virgo A), 3C405 (Cygnus A), NGC 5128 (Centaurus A) qui ne dépassent pas la 14e magnitude. Consulter le catalogue NGC/IC pour connaître leurs coordonnées et leurs paramètres.

Une nouvelle phase de l'évolution galactique : le quasar froid

Si la phase quasar peut être bénéfique à sa galaxie hôte (cf. la co-évolution des galazxies et des trous noirs supermassifs), pour former des étoiles une galaxie a besoin de réservoirs de gaz froid qui peuvent se condenser et non de gaz chauffé, violemment éjecté à des années-lumière par un trou noir supermassif vorace qui anémie la galaxie.

Illustration d'un quasar froid. Document T.Lombry.

Les astrophysiciens pensent que les galaxies en phase quasar sont parvenues au terme de leur vie productive, ne pouvant plus former d'étoiles (leur taux de production ne dépasse plus quelques étoiles par an). Mais Allison Kirkpatrick de l'Université du Kansas, a découvert un ensemble de galaxies ayant à la fois le profil de quasars très actifs et contenant des nuages de gaz froid, ce qui signifie qu'elles pourraient encore être capables de fabriquer de nouvelles étoiles malgré leur âge avancé. Kirkpatrick présenta sa découverte de cette "nouvelle population de quasars froids" lors de la 234e réunion de l'American Astronomical Society qui s'est tenue le 12 juin 2021 à Saint-Louis (cf. U.Kansas).

Kirkpatrick a examiné les données du sondage Sloan Digital Sky Survey (SDSS) réalisé à différentes longueurs d'onde, sélectionnant tous les quasars dans une région particulière. Elle a ensuite comparé ces quasars à ceux trouvés à la fois par le télescope spatial XMM-Newton à rayons X et le télescope spatial Herschel sensible à l'infrarouge. Les rayons X sont un bon marqueur des trous noirs actifs et l'infrarouge permet de localiser la poussière et les gaz chauds.

Il est courant de trouver des quasars enveloppés dans un nuage de gaz et de poussière; les chercheurs pensent qu'il s'agit d'une phase intermédiaire, lorsque le quasar s'est allumé mais n'a pas encore eu le temps de souffler la poussière et le gaz qui l'entourent. Mais du fait que ces quasars sont entourés d'un matériau supplémentaire qui absorbe une grande partie de l'énergie du quasar lui-même, ils apparaissent comme des objets rougeâtres et obscurcis. On reviendra sur le modèle des quasars (cf. page 6).

Ce que Kirkpatrick a découvert, ce sont des quasars brillants d'une lumière bleue vive qui ont néanmoins également des signatures de gaz froid. Cela implique qu'ils ont soufflé la poussière et le gaz immédiatement autour d'eux, mais pas entièrement hors de la galaxie.

Kirkpatrick estime qu'il s'agit d'une autre phase intermédiaire, encore plus courte que la phase rouge obscurcie. D'une durée peut-être de seulement 10 millions d'années, il se pourrait que la raison pour laquelle ces quasars froids semblent rares est qu'ils ne restent tout simplement pas dans cette phase très longtemps. Mais Kirkpatrick ne sait pas encore s'il s'agit d'une étape par laquelle la plupart ou toutes les galaxies transitent ou si seules certaines galaxies apparaîtront un jour comme des quasars froids. Pour ce faire, elle doit étendre ses recherches et identifier plus de quasars froids, ce qui fera l'objet de ses prochaines études.

Prochain chapitre

Des galaxies dans le domaine des quasars

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[14] Notons que les quasars émettant des rayons gamma sont extrêmement rares. Avant le lancement du satellite CGRO (Compton Gamma Ray Observatory), la seule source de rayonnement gamma de plus de 100 MeV située en-dehors de la Galaxie était le quasar 3C273. Fin 1992 le télescope EGRET (Energetic Gamma Ray Experiment Telescope) installé à bord du satellite CGRO avait découvert 14 AGN gamma dont 11 FSRQ. Depuis, on a identifié des dizaines de sources gamma VHE > 100 GeV dont les blazars (BL Lacs et FSRQ).

[15] J.Bahcall et E.Salpeter, Astrophysical Journal Letters, 142, 1965, p1677 - M.Burbidge et al., Astrophysical Journal Letters, 144, 1966, L447 - J.Bergeron, Astrophysical Journal Letters, 155, 1966, L8 - J.Bahcall/L.Spitzer, Astrophysical Journal Letters, 156, 1969, L63 - P.Petitjean et J.Bergeron, Astronomy and Astrophysics, 231, 1990, p309 - J.Bergeron/P.Boissé, Astronomy and Astrophysics, 243, 1991, p344 - A.Smette et al., Astrophysical Journal, 389, 1992, p39 - S.Monis et al., Astrophysical Journal, 419, 1993, p524.

[16] M.Rees, Nature, 211, 1966, p468.

[17] M.Rees, Science, 247, op.cit. - R.Jayawardhana, Science, 259, 1993, p1692.


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