Le mot quasar signifie source radio quasi-stellaire. Les quasars ont reçu ce nom parce qu’ils ressemblaient à des étoiles lorsque les astronomes ont commencé à les remarquer à la fin des années 1950 et au début des années 60. Mais les quasars ne sont pas des étoiles. Elles sont maintenant connues sous le nom de jeunes galaxies, situées à de grandes distances de nous, dont le nombre augmente vers le bord de l’univers visible. Comment peuvent-ils être si éloignés et pourtant encore visibles ? La réponse est que les quasars sont extrêmement brillants, jusqu’à 1 000 fois plus brillants que notre galaxie de la Voie lactée. Nous savons donc qu’ils sont très actifs, émettant des quantités stupéfiantes de rayonnement sur tout le spectre électromagnétique.
Parce qu’ils sont loin, nous voyons ces objets tels qu’ils étaient quand notre univers était jeune. Le quasar le plus ancien, actuellement, est J0313-1806. Sa distance a été mesurée à 13,03 milliards d’années-lumière, et nous la voyons donc telle qu’elle était à peine 670 millions d’années après le Big Bang.
Que se passait-il dans notre univers à cette époque pour rendre les quasars si incroyablement brillants ?
Les astronomes croient maintenant que les quasars sont les centres extrêmement lumineux des galaxies à leurs débuts. Après des décennies d’études intenses, nous avons un autre terme pour ces objets: un quasar est un type de noyau galactique actif, ou AGN. Il existe en fait de nombreux types d’AGNs différents, chacun ayant sa propre histoire à raconter. On pense que le rayonnement intense libéré par un AGN est alimenté par un trou noir supermassif en son centre. Le rayonnement est émis lorsque le matériau du disque d’accrétion entourant le trou noir est surchauffé à des millions de degrés par le frottement intense généré par les particules de poussière, de gaz et d’autres matières du disque entrant en collision d’innombrables fois les unes avec les autres.
La spirale intérieure de la matière dans le disque d’accrétion d’un trou noir supermassif – c’est–à-dire au centre d’un quasar – est le résultat de particules entrant en collision et rebondissant les unes contre les autres et perdant de l’élan. Ce matériau provenait des énormes nuages de gaz, principalement constitués d’hydrogène moléculaire, qui remplissaient l’univers à l’époque peu après le Big Bang.
Ainsi, positionnés tels qu’ils étaient dans l’univers primitif, les quasars disposaient d’une vaste réserve de matière dont ils pouvaient se nourrir.
Lorsque la matière du disque d’accrétion d’un quasar/trou noir se réchauffe, elle génère des ondes radio, des rayons X, des rayons ultraviolets et de la lumière visible. Le quasar devient si brillant qu’il est capable de surpasser des galaxies entières. Mais rappelez-vous … les quasars sont très loin. Ils sont si loin de nous que nous n’observons que le noyau actif, ou noyau, de la galaxie dans laquelle ils résident. Nous ne voyons rien de la galaxie à part son centre lumineux. C’est comme voir un phare de voiture lointain la nuit: vous n’avez aucune idée du type de voiture que vous regardez, car tout, à part le phare, est dans l’obscurité.
D’autre part, il y a des galaxies qui ne sont pas classées comme des quasars mais qui ont tout de même des centres lumineux et actifs où nous pouvons voir le reste de la galaxie. Un exemple de ce type d’AGN est appelé galaxie de Seyfert d’après le regretté astronome Carl Keenan Seyfert, qui fut le premier à les identifier.
Les galaxies de Seyfert représentent peut-être 10% de toutes les galaxies de l’univers : elles ne sont pas classées comme des quasars parce qu’elles sont beaucoup plus jeunes et ont des structures bien définies, plutôt que les jeunes galaxies plutôt informe et amorphe qui sont présumées avoir accueilli des quasars dès quelques centaines de millions d’années après le Big Bang.
Mais il suffit de considérer les quantités d’énergie nécessaires pour éclairer un objet suffisamment pour le rendre visible dans les ondes radio des confins les plus reculés de l’univers, comme un marin pouvant apercevoir un phare lointain à travers tout un océan. Les quasars peuvent émettre jusqu’à mille fois l’énergie de la luminosité combinée des quelque 200 milliards d’étoiles de notre propre Voie lactée. Un quasar typique est 27 billions de fois plus lumineux que notre soleil! Remplacez le soleil dans le ciel par un quasar et son incroyable luminosité vous aveuglerait instantanément si vous étiez assez téméraire pour le regarder directement. Si vous deviez placer un quasar à la distance de Pluton, il vaporiserait tous les océans de la Terre pour se vaporiser en un cinquième de seconde.
Les astronomes pensent que la plupart, sinon la totalité, des grandes galaxies ont traversé une phase dite de « quasar » dans leur jeunesse, peu de temps après leur formation. Si c’est le cas, ils ont diminué de luminosité lorsqu’ils ont manqué de matière pour alimenter le disque d’accrétion entourant leurs trous noirs supermassifs. Après cette époque, les galaxies se sont installées dans la quiescence, leurs trous noirs centraux étant privés de matière pour se nourrir. Le trou noir au centre de notre propre galaxie a cependant été vu s’embraser brièvement, alors que la matière qui y passe s’y égare, libérant des ondes radio et des rayons X. Il est concevable que des étoiles entières puissent être déchirées et consumées lorsqu’elles traversent l’horizon des événements d’un trou noir, le point de non-retour.
Il faut cependant souligner que notre connaissance de l’évolution des galaxies – du quasar jeune à la galaxie d’âge moyen reposante – est loin d’être complète. Les galaxies nous fournissent souvent des exceptions, et à titre d’exemple, nous n’avons pas besoin de chercher plus loin que notre propre Voie lactée. Nous savons maintenant, par exemple, qu’il y a 3,5 millions d’années, il y avait une gigantesque explosion connue sous le nom de fusée éclairante de Seyfert au centre de notre galaxie. Il était apparemment centré sur Sagittarius A *, le trou noir supermassif de la Voie Lactée, produisant deux énormes lobes de plasma surchauffé s’étendant à quelque 25 000 années-lumière des pôles galactique nord et sud. Ces énormes lobes sont appelés bulles de Fermi et sont visibles aujourd’hui aux longueurs d’onde gamma et X (émissions électromagnétiques à très haute fréquence).
Les astronomes sont donc encore en train d’apprendre les spécificités de l’évolution des galaxies.
En effet, l’histoire des quasars n’a pas été une route facile à suivre pour les astronomes. Lorsque les quasars ont été découverts pour la première fois à la fin des années 1950, les astronomes utilisant des radiotélescopes ont vu des objets ressemblant à des étoiles qui rayonnaient des ondes radio (donc des objets radio quasi-stellaires), mais qui n’étaient pas visibles dans les télescopes optiques. Leur ressemblance avec les étoiles, leur luminosité et leurs petits diamètres angulaires ont naturellement conduit les astronomes de l’époque à supposer qu’ils regardaient des objets dans notre propre galaxie. Cependant, l’examen des spectres radio de ces objets les a révélés plus mystérieux que quiconque ne s’y attendait.
De nombreuses premières observations de quasars, y compris celles de 3C48 et 3C273, les deux premiers quasars à être découverts, ont été faites au début des années 1960 par l’astronome britannico-australien John Bolton. Lui et ses collègues étaient perplexes devant le fait que les quasars n’étaient pas visibles dans les télescopes optiques. Ils voulaient trouver des quasars dits « homologues optiques », c’est-à-dire un quasar qui serait visible à leurs yeux dans un télescope plutôt que d’être uniquement détectable avec des instruments radio.
Les astronomes ne savaient tout simplement pas à l’époque que les quasars étaient extrêmement éloignés, trop éloignés pour que leurs homologues optiques soient visibles de la Terre à cette époque, bien qu’ils soient des objets intrinsèquement brillants. Mais ensuite, en 1963, les astronomes Allan Sandage et Thomas A. Matthews ont trouvé ce qu’ils cherchaient: ce qui semblait être une étoile bleue faible à l’emplacement d’un quasar connu. Prenant son spectre, ils étaient perplexes: cela ne ressemblait à rien qu’ils n’avaient jamais vu auparavant. Ils ne pouvaient pas en faire des têtes ou des queues.
Puis, à l’aide du télescope Hale de 200 pouces (5 m), Bolton et son équipe ont pu observer le quasar 3C273 alors qu’il passait derrière la lune. Ces observations leur permettent également d’obtenir des spectres. Et encore une fois, les spectres semblaient étranges, montrant des raies d’émission méconnaissables. Ces lignes indiquent aux astronomes quels éléments chimiques sont présents dans l’objet qu’ils examinent. Mais les raies spectrales du quasar étaient absurdes, semblant indiquer des éléments qui ne devraient pas être présents.Graphique
C’est l’astronome Maarten Schmidt qui, après avoir examiné les raies d’émission étranges dans les spectres des quasars, a suggéré que les astronomes voyaient des raies d’émission normales fortement décalées vers l’extrémité rouge du spectre électromagnétique !
Et ils avaient donc leur réponse. Le décalage vers le rouge était dû à la grande distance du quasar. Sa lumière est étirée par l’expansion de l’univers au cours de son long voyage vers nous depuis le bord du cosmos visible.
Mais s’il était vraiment vrai que les quasars étaient aussi éloignés que vers le bord de l’univers visible, comment auraient-ils pu générer des quantités d’énergie aussi abondantes ? En 1964, même l’existence des trous noirs a été vivement débattue. Il y avait beaucoup de scientifiques qui ne les considéraient que comme des monstres mathématiques, car ils ne pouvaient sûrement pas exister dans l’univers réel.
Ainsi, le débat sur la nature des quasars a fait rage jusqu’aux années 1970, lorsqu’une nouvelle génération de télescopes basés sur la Terre et l’espace a établi hors de tout doute raisonnable que les quasars se trouvent effectivement à de grandes distances, que nous voyons des galaxies quand elles étaient jeunes, que le stade quasar est une phase naturelle de leur croissance. Les trous noirs étant enfin pris au sérieux, les astronomes pourraient enfin modéliser l’identité de la centrale presque incompréhensible derrière les quasars: les trous noirs supermassifs consomment d’énormes quantités de gaz et rayonnent de grandes quantités d’énergie à travers le spectre.
Ce modèle explique pourquoi les quasars sont assis vers le bord de l’univers visible et pourquoi nous ne les voyons pas de plus près : parce que les quasars sont de jeunes galaxies, vues peu de temps après leur formation dans l’univers primitif.
L’étude des quasars, et des noyaux galactiques actifs en général, est allée loin, mais il y a beaucoup de choses que nous ne comprenons toujours pas. Cependant, je crois qu’une partie de notre manque de compréhension est un échec de l’imagination. Il est pratiquement impossible de comprendre les quantités d’énergie générées par les moteurs de trous noirs au cœur des quasars, ces monstres dans l’obscurité. Il est tout aussi difficile d’apprécier à quel point ils sont loin de nous. Mais ce n’est guère de notre faute: nos pauvres cerveaux simiens ne sont tout simplement pas bien équipés pour faire face à de tels concepts.
Les quasars ne sont qu’un exemple d’animal dans le zoo cosmique dont il suffit d’accepter les faits plutôt que d’essayer de les comprendre.
Conclusion: Les quasars sont des objets extrêmement lumineux et extrêmement éloignés. On pense que leur énorme production d’énergie est due à l’activité autour du trou noir supermassif central dans les jeunes galaxies, près du bord de l’univers observable.
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