Le quasar 3C 273 vue par Chandra. © Nasa

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Trois quasars à la croissance ultrarapide défient les cosmologistes

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Trois quasars observés tels qu'ils étaient il y a environ 13 milliards d'années ne se seraient allumés que 100.000 ans auparavant. Gorgés d'environ un milliard de masses solaires, leur jeunesse n'est que difficilement compréhensible dans le cadre des modèles proposés pour expliquer l'origine de ces trous noirs supermassifs.

  • Comment se sont formés les trous noirs supermassifs à l’origine des quasars ? Proviennent-ils de grands nuages de gaz ou d’étoiles supermassives qui se sont effondrées gravitationnellement ?
  • Les chercheurs ne comprennent pas bien non plus comment leur taille a augmenté.
  • Les modèles, au moins sous leur forme actuelle, semblent mis en cause par l’étude de la taille des bulles de matière ionisée entourant trois quasars observés tels qu'ils étaient il y a environ 13 milliards d’années.

Il y a plus de cinquante ans, la technique des occultations a permis de déterminer la contrepartie optique d'une source radio puissante, 3C 273. Lorsque Maarten Schmidt, un astronome néerlandais, a ensuite fait son analyse spectrale, il découvrit avec stupéfaction des lignes d'émissions de l'hydrogène fortement décalées vers le rouge. Or 3C 273 apparaissait dans le visible comme une étoile tandis que ce résultat impliquait qu'il se situait bien au-delà de la Voie lactée, à une distance cosmologique. Pour être visible d'aussi loin, l'objet devait donc 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. On en connaît aujourd'hui plus de 200.000.

Les astrophysiciens ont très tôt cherché à comprendre la nature de ces astres qui, bien qu'ils libèrent d'énormes quantités d'énergie, semblaient être de petite taille. Ils ont d'abord pensé qu'il s'agissait d'étoiles gigantesques dominées par les effets de la relativité générale avant d'envisager assez rapidement qu'il s'agit de trous noirs supermassifs accrétant d'importantes quantités de gaz. Dans le bestiaire des astres relativistes qui commençaient à être exploré sérieusement pendant les années 1960, certains, comme Igor Novikov et Yuval Ne'eman, ont même proposé que les quasars étaient en fait des trous blancs. C'est-à-dire soit des régions de l'univers dont l'expansion au moment du Big Bang avait été retardée (hypothèse des lagging core), soit l'autre extrémité de trous de vers éjectant la matière qu'ils avaient absorbée sous forme de trous noirs dans une autre partie du cosmos, voire dans un autre univers. À cet égard, on pourrait avoir des surprises avec les résultats très attendus des observations du Event Horizon Telescope.

Les galaxies sont-elles nées d'un trou noir ? Les quasars, ces trous noirs supermassifs au cœur des galaxies, sont-ils à l'origine de la naissance des étoiles avant de les avaler ? Premier épisode d'une collection de documentaires Web sur l'astrophysique au XXIe siècle, réalisés par Pierre-François Didek (Karamoja Productions ; directeur de collection : Vincent Minier du laboratoire AIM Paris-Saclay). © AstrophysiqueTV, Dailymotion

Quelles origines pour les trous noirs supermassifs ?

Mais de nos jours, la majorité des chercheurs est convaincue que les quasars sont bel et bien des trous noirs supermassifs de Kerr en rotation surpris en train d'accréter de grandes quantités de matière il y a plusieurs milliards d'années. Mais cette théorie n'est pas sans poser quelques problèmes.

En effet, ces astres compacts contiennent de quelques millions à quelques milliards de masses solaires. Ils ne peuvent donc pas provenir directement de l'effondrement gravitationnel d'une étoile ordinaire. Il existe toutefois différents modèles montrant plus ou moins comment ces trous noirs peuvent croître au cours du temps, notamment à partir d'objets plus petits c'est-à-dire par fusion de trous noirs dont certains sont peut-être issus d'astres encore hypothétiques, des étoiles relativistes supergéantes. Il est possible aussi que ces trous noirs supermassifs grandissent en accrétant des courants d'hydrogène intergalactique sous forme de filaments et, bien sûr, à l'occasion de fusion de galaxies. Un lien entre la taille de ces trous noirs et la galaxie qui l'héberge a été établi.

Il n'en reste pas moins que cosmologistes et astrophysiciens sont mal à l'aise lorsqu'ils sont confrontés à l'existence de quasars contenant déjà des milliards de masses solaires alors que l'univers observable était âgé de moins d'un milliard d'années. En effet, ce temps semble bien trop court pour permettre la croissance de ces ogres galactiques. 

On vient d'en avoir un nouvel exemple suite à la publication sur arXiv d'un article exposant des travaux d'une équipe internationale de chercheurs, dont certains sont membres du Max Planck Institute for Astronomy (MPIA), et qui ont utilisé les instruments équipant les télescopes de l'observatoire W.M. Keck à Hawaï. Il était question de mieux comprendre la fameuse époque de la réionisation de l'univers, probablement largement due au rayonnement des premiers quasars.

Plus la taille d'une bulle de matière ionisée entourant un trou noir est grande, moins le rayonnement issu de la matière accrétée et chauffée par le trou noir est absorbé dans une partie de son spectre. Plus l'allumage d'un quasar est ancien, plus la taille de la bulle est grande. C'est ce qu'illustre le schéma ci-dessus avec la bulle de matière (proximity zone) entourant un quasar. En vert, la bulle est ancienne, en jaune, elle est jeune. Les deux spectres obtenus dans ces deux cas sont représentés en bas et indiquent l'intensité lumineuse (brightness) en fonction de la longueur d'onde (wavelength). © A. C. Eilers & J. Neidel, MPIA

Des quasars qui se sont allumés en moins de 100.000 ans

Les chercheurs se sont concentrés en particulier sur trois quasars qu'ils ont observés tels qu'ils étaient il y a environ 13 milliards d'années et qui possédaient déjà un milliard de masses solaires. Il est possible d'estimer de quand date leur allumage en observant la taille de la bulle de matière ionisée et chauffée autour de chacun d'eaux. Il est même possible de dire de cette façon s'il s'est allumé plusieurs fois. En effet, plus cette bulle est grande, plus elle est ancienne car le rayonnement émis par le trou noir a eu le temps de voyager. De même, comme il faut un certain temps après l'arrêt d'un quasar pour que la bulle se refroidisse, les chercheurs peuvent poser des contraintes sur le nombre de fois que l'astre a pu s'allumer et s'éteindre dans un passé pas trop éloigné.

Toutefois dans le cas des trois monstres étudiés, et compte tenu de leur jeunesse, ils ne sont allumés que depuis 100.000 ans tout au plus par rapport à la date où nous les observons. Compte tenu du fait qu'il existe une limite à la quantité de matière que peut absorber un trou noir par accrétion pendant un temps donné (la pression du rayonnement émis, si elle est trop forte, stoppe ce processus d'accrétion ce qui impose donc des limites à la vitesse d'accrétion en rapport avec ce que l'on appelle la luminosité d’Eddington d'un trou noir), on tombe alors sur une énigme.

En effet, ces trous noirs auraient dû absorber de la matière non-stop pendant au moins 100 millions d'années pour atteindre leur taille actuelle. En outre, il est difficile d'expliquer leur croissance, moins de 700 millions d'années après le Big Bang, par fusion de trous noirs.

En résumé, presque 60 ans après la découverte des quasars, leur origine et peut-être même leur nature restent donc encore mal comprises.

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