Cette vue artiste montre à quoi devait ressembler le lointain quasar P172+18 et ses jets radio. À ce jour (début 2021), c'est le quasar le plus lointain avec des jets radio jamais trouvé. Il a été étudié grâce au Very Large Telescope de l'ESO. Il est si éloigné que la lumière qui en provient a voyagé pendant environ 13 milliards d'années pour nous atteindre : nous le voyons tel qu'il était lorsque l'Univers n'avait que 780 millions d'années environ. © ESO, M. Kornmesser
Sciences

Un quasar avec de puissants jets radio découvert aux confins de l'Univers

ActualitéClassé sous :Astronomie , Quasar , réionisation

Les quasars sont des phares cosmiques qui nous permettent de sonder l'Univers observable à des milliards d'années-lumière et qui témoignent de son histoire primitive. Les astronomes chassent les plus anciens pour les étudier et percer les mystères de la croissance des galaxies. L'un des plus intéressants à ce jour a permis de battre un nouveau record.

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[EN VIDÉO] Première image d’un trou noir supermassif : zoom sur l'environnement de M87*  Cette animation d’artiste représente un plongeon en direction d’un trou noir supermassif caché dans une bulle de gaz chaud. Il est entouré d’un disque d’accrétion où la matière est tellement chauffée qu’elle devient un plasma très lumineux à l’origine de jets de matière en relation avec la rotation d’un trou noir de Kerr. En l’occurrence ici il s’agit de M87*, le trou noir supermassif qui a livré la première image d’un tel objet en avril 2019 grâce aux membres de la collaboration Event Horizon Telescope (EHT). 

Les quasi-stellar radio sources, les « quasars », selon la dénomination proposée en 1964 par l'astrophysicien d'origine chinoise Hong-Yee Chiu, font régulièrement parler d'eux depuis 60 ans. Cela est bien compréhensible. Tout d'abord parce que ce sont des astres toujours très distants, plusieurs milliards d'années-lumière au moins, et qui apparaissent comme des étoiles très brillantes lorsqu'on les observe au télescope, mais dont on sait aujourd'hui que ce sont des exemples de ce que l'on appelle des noyaux actifs de galaxies (Active Galactic Nuclei ou AGN, en anglais). Ensuite et surtout, les quasars sont en général au moins cinq millions de millions de fois plus brillants que le Soleil !

Nous avons toutes les raisons de penser aujourd'hui que leur prodigieuse énergie provient de l'accrétion de la matière par des trous noirs supermassifs de Kerr en rotation, pouvant contenir des millions à des milliards de masses solaires comme M87*, récemment imagé par les membres de la collaboration Event Horizon Telescope.

Dans cet extrait de la plateforme TV-Web-cinéma « Du Big Bang au Vivant », qui couvre des découvertes dans le domaine de l'astrophysique et de la cosmologie, Jean-Pierre Luminet nous parle des quasars. © Jean-Pierre Luminet

Aujourd'hui, une équipe internationale d'astronomes annonce avoir établi un nouveau record en ce qui concerne l'étude des quasars, comme elle l'explique avec une publication dans The Astrophysical Journal mais en accès libre sur arXiv. Elle porte non sur le plus lointain quasar connu toutes catégories mais sur le plus lointain possédant des jets de particules sources d'une émission radio. C'est une découverte intéressante, déjà parce que seulement 10 % des quasars que les astronomes classent comme étant à émission radio forte ont des jets qui brillent dans ce domaine des ondes électromagnétiques.

Un SEAMBH de 300 millions de masses solaires

L'objet en question se nomme P172+18 et les photons infrarouges que les instruments du Very Large Telescope (VLT) de l'Observatoire européen austral (ESO) ont collectés, et dont le signal a été enregistré en suivant une chaîne de mesures, avaient auparavant parcouru l'espace pendant 13 milliards d'années environ depuis leur émission par le quasar. Le responsable de leur naissance semble bel et bien être un trou noir ayant déjà avalé seulement 780 millions d'années après le Big Bang l'équivalent de 300 millions de masses solaires (le trou noir supermassif de la Voie lactée n'en contient que quatre millions).

Clairement, il est donc le produit de processus d'accrétion très actifs (de type super-Eddington pour les experts de sorte que P172+18 doit faire partie des super-Eddington accreting massive black holes ou SEAMBH en anglais) et selon le paradigme moderne de la croissance de tels objets, cela découlerait très probablement de l'existence de courants froids de gaz canalisés par des filaments de matière noire.

Grâce au Very Large Telescope de l'ESO, les astronomes ont découvert et étudié en détail la source d'émission radio la plus lointaine connue à ce jour. Cette source est un quasar à forte émission radio – un objet brillant avec des jets puissants émettant dans des longueurs d'onde radio – qui est si lointain que sa lumière a mis 13 milliards d'années pour nous atteindre. Cette vidéo résume la découverte. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © ESO

« Le trou noir mange la matière très rapidement, sa masse augmente à un rythme parmi les plus élevés jamais observés », explique d'ailleurs dans un communiqué de l'ESO l'astronome Chiara Mazzucchelli, qui a mené cette découverte avec Eduardo Bañados du Max Planck Institute for Astronomy en Allemagne. Il n'est certainement pas le seul puisque l'on a découvert depuis une dizaine d'années de plus en plus de trous noirs supermassifs ayant atteint leur taille « anormalement » vite au regard des anciens modèles de croissance de ces astres compacts.

Tout n'est d'ailleurs pas clair à ce sujet et c'est pourquoi l'étude d'objets compacts comme P172+18 est potentiellement riche en enseignements sur la croissance des trous noirs supermassifs. Croissance dont on sait en plus qu'elle se fait de pair avec celle des galaxies qui les contiennent, de sorte que l'on ne peut visiblement pas comprendre l'une sans l'autre et qu'il s'agit d'une des étapes ayant mené du Big Bang au vivant que la noosphère doit comprendre pour élucider certaines des énigmes de son origine.

« Je trouve très excitant de découvrir de "nouveaux" trous noirs pour la première fois, et de fournir un élément de plus pour comprendre l'Univers primordial, d'où nous venons finalement nous-mêmes », déclare justement à ce propos Chiara Mazzucchelli, toujours dans le communiqué de l'ESO.

Ce qui est sûr c'est que d'autres astres de ce genre vont être chassés et étudiés dans les années à venir avec des instruments tels qu'Alma et avec le futur ELT (Extremely Large Telescope).

Pour en savoir plus

Zoom sur un quasar à l'aube de l'Univers

Article de Laurent Sacco publié le 09/06/2008

Baptisé J1427+3312, il est le plus ancien quasar connu. Les astronomes l'observent aujourd'hui tel qu'il était lorsque l'Univers n'était âgé que de 900 millions d'années environ. Le puissant réseau de radiotélescopes européen, EVN, vient d'en délivrer une image détaillée.

Selon la théorie, et les observations l'appuient fortement, les quasars sont des  trous noirs extrêmement massifs en rotation et accrétant de la matière. Ils sont à l'origine des noyaux actifs de galaxies et leur nombre était bien plus élevé au début de l'histoire de l'Univers. Ce sont de puissantes sources d'ondes radio et ils émettent aussi très fortement dans le domaine optique, de sorte qu'ils sont de formidables phares pour sonder les confins de l'Univers.

Le quasar J1427+3312 est particulièrement intéressant car, avec son décalage spectral vers le rouge de 6,12, il est situé très loin de notre Galaxie. Tel que nous le voyons, il appartient à notre Univers âgé d'environ 900 millions d'années seulement, c'est-à-dire 12,8 milliards d'années dans le passé. Ainsi, il se situe juste quelques centaines de millions après la fin des âges sombres, quand les premières étoiles, et peut-être aussi les premiers quasars, ont émis suffisamment de lumière pour réioniser une partie du cosmos.

Une observation possible depuis quelques années seulement

C'est donc une cible de choix pour utiliser le réseau de radiotélescopes du Joint Institute for Very Long Baseline Interferometry (Jive) fonctionnant par synthèse d'ouverture interférométrique. Au total, ce sont 10 instruments qui ont été mis à contribution pour obtenir une image à haute résolution de J1427+3312 dans le domaine des ondes radio. Parmi eux, on trouve le Westerbork Synthesis Radio Telescope en Hollande, et même des radiotélescopes en Chine et en Afrique du Sud, tous travaillant à des longueurs d'onde d'environ 18 cm.

Figure 1. Une vue des ordinateurs traitant les données radioastronomiques du Joint Institute for Very Long Baseline Interferometry . Crédit : Jive

L'image du quasar (voir la figure 2) révèle qu'il est constitué d'une structure double, avec deux lobes émettant en radio et distants de 480 années-lumière. En outre, la forme de son spectre est typique d'un quasar juvénile. Pour l'obtenir, il a fallut combiner une quantité énorme d'informations en provenance des 10 radiotélescopes. L'ordinateur du Jive devait en effet traiter pas moins de 10 gigabits d'informations par seconde, soit l'équivalent de la lecture simultanée de mille films en DVD ! Que ce soit au niveau de la résolution de l'image ou à celui de sa formation par synthèse interférométrique à l'aide d'un ordinateur, l'observation d'un quasar si lointain aurait été impossible il y a quelques années encore.

Comme l'explique Leonid Gurvits, l'un des astronomes auteur de l'étude publiée dans Astronomy and Astrophysics, la découverte est tout à fait exceptionnelle : « si l'on veut trouver une analogie historique, l'observation d'un quasar aussi jeune que J1427+3312 dans un passé aussi reculé de l'histoire de l'Univers reviendrait à découvrir aujourd'hui l'une des sept merveilles du Monde, comme le phare d'Alexandrie, dans un parfait état de conservation ».

Le quasar J1427+3312 en ondes radio. Crédit : Jive
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