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Grâce aux quasars, une nouvelle preuve de l'existence de l'énergie noire

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L'énergie noire est bien réelle, si l'on en croit des observations basées sur l'effet de lentille gravitationnelle qui dédouble les images des quasars. C'est une illustration de plus de l'importance de ces astres en cosmologie depuis cinquante ans.

Deux images du premier quasar identifié comme un objet cosmologique en 1962. Vue par Hubble, 3C 273 se présente comme une étoile brillante avec un jet de matière en bas à droite de l'image de gauche. Sur l'image de droite, une technique de coronographie similaire à celle utilisée pour voir la couronne solaire montre quelques détails de la galaxie hôte du quasar. © WFPC2 : Nasa et J. Bahcall (IAS), A. Martel (JHU), H. Ford (JHU), M. Clampin (STScI), G. Hartig (STScI), G. Illingworth (UCO/Lick Observatory), the ACS Science Team et Esa

Il y a cinquante ans, la technique des occultations permettait de déterminer la contrepartie optique d'une source radio puissante, 3C 273. Lorsque Maarten Schmidt fit l'analyse spectrale de l'astre qu'il avait enfin identifié dans le visible, il fut sans doute stupéfié par le résultat. Le spectre révélait des lignes d'émissions de l'hydrogène fortement décalées vers le rouge. Cela signifiait non seulement que ce qui apparaissait comme une étoile se situait effectivement en dehors de la Voie lactée mais surtout à une distance cosmologique. Pour être visible d'aussi loin, l'objet devait être d'une luminosité prodigieuse.

D'autres quasi-stellar radio sources, des quasars selon la dénomination proposée en 1964 par l'astrophysicien d'origine chinoise Hong-Yee Chiu, n''allaient pas tarder à être découverts. Il s'agissait des premiers clous dans le cercueil du modèle de la cosmologie stationnaire alors en vogue à l'époque.

Les quasars et la naissance de l'astrophysique relativiste

Selon ce modèle, le cosmos était infini dans le temps et l'espace, bien qu'en expansion, et devait apparaître identique à tous les observateurs quelles que soient leurs situations dans l'espace et le temps. Afin de maintenir constante la densité de matière dans l'univers, des particules étaient créées spontanément dans le vide par des processus quantiques, en raison de l'expansion même du cosmos.

Il n'existe pas de quasars dans l'environnement proche de la Voie lactée, et les décalages spectraux vers le rouge impliquent aussi que ces astres étaient nombreux et actifs il y a des milliards d'années. Il fallait en conclure que le cosmos observable n'avait pas toujours été identique à lui-même dans le passé, et peut-être inhomogène dans l'espace, en contradiction avec le principe cosmologique parfait du modèle stationnaire qui impliquait le contraire.

Certains tentèrent alors de tirer la relativité générale du sommeil où l'avaient laissée les développements rapides de la physique quantique et de l'astrophysique nucléaire pour bâtir des modèles relativistes d'étoiles supermassives possédant, par leur champ de gravitation intense, un important décalage spectral vers le rouge. De cette façon, les quasars pouvaient fort bien être à des distances ne relevant plus de la cosmologie.

D'abord découvert à l'aide de la campagne d'observations SDDS, l'objet SDSSJ1226-0006 se révèle clairement sous l'œil perçant du télescope Hubble. La résolution du télescope spatial est telle que l'on voit clairement en blanc les deux images d'un quasar dédoublé par effet de lentille gravitationnelle forte par une galaxie massive (en rouge). © Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe

Ce fut un échec !

Les modèles se révélèrent très instables comme Feynman et Chandrasekhar allaient rapidement le découvrir. De telles étoiles ne pouvaient donc guère exister sans s'effondrer rapidement en donnant ce que nous appelons maintenant des trous noirs.

En tout état de cause, les quasars allaient stimuler les recherches sur l'effondrement gravitationnel en relativité générale débouchant sur l'essor rapide de l'astrophysique relativiste pendant les années 1960, posant les fondations modernes des théories des étoiles à neutrons et des trous noirs. Mais c'est surtout la découverte du rayonnement fossile en 1965 qui allait sonner le glas de la cosmologie stationnaire.

Les quasars et la géométrie de l'espace-temps en cosmologie

Aujourd'hui, les quasars peuvent encore servir à bouleverser notre connaissance de l'univers. Ils pourraient contribuer à faire la lumière sur la nature de l'énigmatique énergie noire et peut-être même sur l'existence de mondes parallèles grâce aux futures observations de RadioAstron.

Si l'on a de bonnes raisons de penser que les quasars sont des trous noirs supermassifs accrétant de la matière, certains pourraient être des fontaines blanches, des trous de vers, c'est-à-dire l'autre extrémité d'un trou noir absorbant de la matière en provenance d'un univers parallèle.

Du fait de l'expansion de l'espace, la probabilité d'observer un quasar dédoublé par un effet de lentille gravitationnelle change en fonction du décalage spectral de la région où se trouve ce quasar. Cette probabilité est influencée par le contenu en énergie noire du cosmos. © Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe

En ce qui concerne l'intérêt des quasars pour l'étude de l'énergie noire, on a déjà des résultats importants comme le montre l'article publié sur arxiv par un groupe international d'astrophysiciens et de cosmologistes dont certains sont membres du Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU).

Il se trouve qu'en fonction de la vitesse d'expansion de l’univers, plus précisément encore du type de modèle cosmologique relativiste dans lequel nous vivons, la probabilité d'observer un quasar par un effet de lentille gravitationnelle forte n'est pas la même selon le décalage spectral et la portion de la voûte céleste d'une taille angulaire donnée. En théorie, il suffirait donc d'observer un nombre suffisamment élevé de quasars subissant un effet de lentille gravitationnelle de ce genre pour préciser à la fois la géométrie et le contenu en énergie noire du cosmos observable.

Les quasars, des alternatives aux supernovae en cosmologie

Après des années de travail sur les données collectées par le Sloan Digital Sky Survey (SDSS) et concernant environ 100.000 quasars, les chercheurs ont fini par débusquer presque 50 nouveaux quasars avec effet de lentille, portant le nombre des cas connus depuis 1979 à plus de 100.

Les observations révèlent bien, elles aussi, une accélération récente de l'expansion de l'univers comme celle découverte par Saul Perlmutter et ses collègues. De plus, en joignant les données collectées à celles obtenues sur le rayonnement fossile et les fameuses oscillations acoustiques des baryons (BAO pour baryon acoustic oscillations en anglais), on trouve la même proportion d'énergie noire déjà évaluée avec l'étude des supernovae. Malheureusement, à la limite des précisions des mesures, on trouve encore un résultat conforme à l'hypothèse d'une vraie constante cosmologique, comme dans la simulation du cosmos observable récemment effectuée avec Deus.

En tout état de cause, il s'agit d'un résultat majeur. On sait que les SN Ia, qui sont probablement le plus souvent des collisions de naines blanches (ce qui ne remet pas en cause l'existence de l'énergie noire), sont les outils les plus importants pour mettre en évidence l'existence de l'énergie noire. Que l'étude des quasars, avec un phénomène physique différent c'est-à-dire l'effet de lentille gravitationnelle, donne lui aussi une preuve de l'existence de l'énergie noire, ne peut que renforcer la confiance que l'on a dans le modèle de concordance de la cosmologie standard.