Ceci est une illustration d'une galaxie éloignée avec un quasar actif en son centre. Un quasar émet des quantités d'énergie exceptionnellement importantes générées par un trou noir supermassif alimenté par l'accrétion de matière. © Nasa, ESA et J. Olmsted (STScI)
Sciences

La solution de l'énigme de l'allumage des quasars aurait été trouvée

ActualitéClassé sous :Astronomie , Very Large Telescope , XMM-Newton

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[EN VIDÉO] Les collisions de galaxies dans l’univers  Les collisions de galaxies ne sont pas rares dans l’univers. C’est même l’un des processus de croissance des galaxies. Ainsi, dans quelques milliards d’années, la Voie lactée entrera en collision avec celle d’Andromède. Cette vidéo provient du projet Du Big Bang au vivant, qui regroupe une dizaine de scientifiques. © Groupe ECP, www.dubigbangauvivant.com 

Depuis environ une décennie et grâce aux observations conjointes, notamment de Hubble et du satellite XMM-Newton de l'Esa, on a découvert que ce ne sont pas les collisions entre galaxies qui sont responsables de l'immense majorité des allumages des quasars, contrairement à ce que l'on pouvait prévoir. Aujourd'hui, une solution à cette énigme est proposée sur la base de simulations numériques.

Découverts au début des années 1960 initialement sous forme de quasi-stellar radio sources, les quasars -- selon la dénomination proposée en 1964 par l'astrophysicien d'origine chinoise Hong-Yee Chiu -- sont des exemples de ce que l'on appelle des noyaux actifs de galaxies (Active Galactic Nuclei ou AGN, en anglais). Nous avons toutes les raisons de penser que leur prodigieuse énergie provient de l'accrétion de la matière par des trous noirs supermassifs de Kerr en rotation, pouvant contenir des milliards de masses solaires comme M87* récemment imagé par les membres de la collaboration Event Horizon Telescope.

Les quasars se présentaient initialement comme des sources radio mais, quand Maarten Schmidt, un astronome néerlandais, a fait l'analyse spectrale de la contrepartie dans le visible d'une source radio puissante nommée 3C 273, elle se présentait comme une étoile mais avec un décalage spectral vers le rouge indiquant qu'elle se trouvait à plus de 2,4 milliards d'années-lumière de la Voie lactée, ce qui veut dire que, pour être observable à une telle distance proprement cosmologique, elle devait être d'une luminosité absolument prodigieuse, équivalente à celle de 1.000 fois les centaines de milliards d'étoiles de notre Voie lactée.

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

Des convertisseurs géants d'énergie gravitationnelle en « lumières »

Un tel torrent d'énergie ne pouvait s'expliquer qu'en faisant intervenir le processus d'accrétion gravitationnelle par un astre massif et compact, comme un trou noir justement, car il libère alors du rayonnement électromagnétique sous diverses formes de lumière par conversion de l'énergie potentielle gravitationnelle bien plus efficacement que les réactions thermonucléaires faisant briller les étoiles. On sait, en effet, qu'un tel mécanisme permet de convertir l'équivalent de 10 % de la masse d'un objet en rayonnement contre, par exemple, les 0,7 % de la réaction proton-proton dans le Soleil, co-découverte par Carl Friedrich von Weizsäcker.

Mais, pour cela, il faut bien évidemment un apport tout aussi spectaculaire en matière et, pour cette raison, bien des astrophysiciens avaient avancé que l'allumage des quasars se produisait à l'occasion de collisions entre galaxies, entraînant un apport massif de gaz frais.

Malheureusement, comme l'expliquait Futura dans le précédent article ci-dessous, les progrès des observations à la fin des années 1990 et au début des années 2000 allaient montrer que la majorité des quasars n'étaient pas associés à des collisions galactiques.

Depuis environ une décennie, les observations et les modélisations ont finalement imposé un autre paradigme où l'existence d'AGN et, a fortiori, de quasars -- tout autant d'ailleurs que les processus de croissance des trous noirs supermassifs et des galaxies qui les hébergent -- résultait de courants froids de matière baryonique, comme l'avait expliqué à Futura le cosmologiste Romain Teyssier.

Vue d’artiste du gaz chassé d’un noyau galactique sous l'effet d'une collision entre deux galaxies. Le trou noir supermassif visible au cœur de l'image avec son disque d'accrétion ne serait alors pas alimenté abondamment en matière, pendant quelques millions d'années au moins. © Yohei Miki, The University of Tokyo

Des collisions qui soufflent le gaz dans les galaxies

Un groupe de chercheurs japonais de l'université de Tokyo vient de publier un article en accès libre sur arXiv dans le célèbre journal Nature Astronomy. En combinant des modèles analytiques avec des modèles numériques dont les algorithmes sont implémentés sur un superordinateur, ils proposent aujourd'hui un début de solution à l'énigme de l'allumage des quasars comme l'explique dans un communiqué de cette université, Yohei Miki : « Depuis que les astronomes ont exploré les collisions galactiques, on a supposé qu'une collision fournirait toujours du carburant sous forme de matière pour un trou noir supermassif  au centre d'une galaxie, et que ce carburant alimenterait le trou noir, augmentant considérablement son activité, ce que trahirait de la lumière ultraviolette et des rayons X entre autres. Cependant, nous avons maintenant de bonnes raisons de croire que cette séquence d'événements n'est pas inévitable et qu'en fait, le contraire peut parfois être vrai ».

En effet, paradoxalement, sous certaines conditions, en particulier à l'occasion de collisions frontales, les simulations numériques montrent en fait que, parfois, l'effet de la collision serait de chasser le gaz entourant un trou noir supermassif central, le privant donc de carburant et rendant impossible l'allumage en mode quasar.

Pour en savoir plus

Le VLT confirme l'énigme de l'allumage des quasars

Article de Laurent Sacco publié le 18/07/2011

On le savait depuis l'année dernière grâce aux observations conjointes de Hubble et du satellite XMM-Newton de l'Esa. Ce ne sont pas les collisions entre galaxies qui sont responsables de l'immense majorité des allumages des quasars. Aujourd'hui, le VLT le confirme en remontant encore plus tôt dans l'histoire du cosmos observable.

On ne comprend pas très bien comment se sont formés les premiers trous noirs géants de l'univers. En revanche, on pensait savoir ce qui faisait d'eux des quasars : des collisions entre galaxies. Pourtant, comme on l'avait déjà expliqué dans un article précédent en début d'année, les observations dans le domaine des rayons X faites par le satellite XMM-Newton de l'Esa, jointes à celle de Hubble, ont fait l'effet d'une bombe dans la communauté des astrophysiciens en 2010.

Plongeant dans le passé de l'univers observable sur une durée de 8 milliards d'années, elles montraient que les noyaux actifs de galaxies, plus précisément ceux possédant un trou noir supermassif accrétant voracement de la matière et devenant ainsi un quasar, n'étaient généralement pas associés à des collisions de galaxies. Cette conclusion était tirée des observations du champ Cosmos, une région d'environ dix fois la surface de la Pleine Lune, dans la constellation du Sextant.

Le nombre de quasars était plus élevé dans le passé de l'Univers, précisément quand celui-ci était plus dense et que les collisions entre galaxies étaient plus fréquentes. Il était logique de penser que c'est à l'occasion de ces collisions que d'importantes quantités de gaz frais tombaient en direction du trou noir central d'une galaxie, alimentant le moteur magnétohydrodynamique constitué par un trou noir en rotation accrétant de la matière.

Cosmos sous l'œil du VLT

En remontant encore plus dans le passé, alors que le taux de collisions devait être encore plus important, c'est-à-dire jusqu'à il y a 11 milliards d'années, soit moins de 4 milliards d'années après le Big Bang, les observations du VLT (toujours dans le champ Cosmos) montrent aujourd'hui que l'énigme de l'allumage des quasars persiste est qu'elle est encore plus troublante.


Une vidéo extraite du site Du Big Bang au Vivant avec des commentaires de Jean-Pierre Luminet et Hubert Reeves. © Groupe ECP, www.dubigbangauvivant.com/Youtube

Dressant une carte montrant près de 600 quasars détectés par leur émissions en rayons X et dont les distances ont été déterminées grâce au VLT au bout de cinq ans de travail, les astrophysiciens ont non seulement constaté qu'il n'y avait pas vraiment de corrélation entre l'allumage des quasars et des collisions de galaxies mais ils ont aussi découvert que les noyaux actifs se trouvent principalement dans les grandes galaxies massives, avec beaucoup de matière noire. En outre, la plupart des noyaux actifs se trouvent plutôt dans des galaxies de masses environ 20 fois plus grandes que celles prédites par la théorie de fusion des galaxies.

Selon Viola Allevato, l'un des auteurs principaux d'un article déposé sur Arxiv, donné en lien ci-dessous, et exposant les détails de la découverte, il y aurait tout de même des explications probables pour l'allumage des quasars : « ces nouveaux résultats nous donnent un nouvel aperçu de la manière dont les trous noirs supermassifs commencent leur repas. Ils indiquent que les trous noirs sont généralement alimentés par des processus au sein de la galaxie elle-même, tels que les instabilités de disque et les régions à flambées d'étoiles, par opposition à des collisions de galaxies ».

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