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Les vents de poussières des trous noirs

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Les observations faites avec le télescope Spitzer viennent de couper un peu plus l'herbe sous le pied des derniers opposants à la théorie du Big Bang. La richesse anormalement élevée de l'Univers primordial en poussières, plutôt produites par des étoiles âgées, vient de trouver un début d'explication : les vents des quasars.

Les vents de matière enrichis en poussière soufflés par un quasar. Crédit: Nasa/JPL-Caltech/T. Pyle (SSC)

Dans notre Galaxie, les principales sources de production de poussières sont les étoiles ayant quitté la séquence principale (qui décrit l'histoire de la vie des étoiles) et dont la courbe d'évolution les a conduites sur ce qu'on appelle la Branche Asymptotique des Géantes (BAG, ou, en anglais AGB pour Asymptotic Giant Branch). Notre Soleil s'engagera aussi sur cette voie au moment où il deviendra une géante rouge dans 5 milliards d'années environ.

Comme lui, ces étoiles de masses comprises entre 1 et 8 masses solaires expulseront leurs couches supérieures à l'occasion de vents violents. Les conditions physico-chimiques dans ces vents sont idéales pour permettre la synthèse des poussières à partir des éléments lourds présents dans l'étoile. Toutefois, la composition précise des grains, leur taille et le type de réseaux cristallins dépendent fortement des caractéristiques de ces vents.

Les observations montrent que les quasars distants dans l'Univers sont anormalement riches en poussières. En effet, l'Univers était encore trop jeune pour que suffisamment de poussières aient pu se former. Les étoiles passent en général au moins un milliard d'années sur la séquence principale avant de s'engager sur la BAG. Clairement, il y a un problème et des sources additionnelles de poussières sont nécessaires.

Deux sources potentielles pour les poussières

L'une d'entre elles pourrait être des supernovae issues d'étoiles massives et à courte durée de vie comme il y a dû en avoir en grande quantité au tout début de l'histoire de l'Univers. Malheureusement, leur capacité à produire des poussières est encore incertaine, et même si elles le peuvent, il n'est pas sûr que la quantité requise pour expliquer les observations puisse en provenir.

C'est pourquoi les astrophysiciens et les cosmochimistes se sont tournés vers une autre source potentielle : les vents produits par les mécanismes d'accrétions des disques autour des trous noirs centraux des AGN contenant des quasars.

De fait, au moins depuis le début des années 2000, des traces de poussières ont effectivement été détectées dans des quasars proches. En particulier, le spectre d'émission infra-rouge de poussières silicatées à une température de 200 K a été observé en 2005. Mais elles auraient tout aussi bien pu provenir du gaz formé par les étoiles sur la BAG, capturé par le trou noir central. La théorie elle-même implique que les conditions dans les vents de matières à grande distance des quasars sont similaires à celles régnant dans les vents produits par les étoiles sur la BAG. Mais laquelle des deux hypothèses était-elle l'explication de l'origine des poussières détectées ?

Des observations simples pour départager les hypothèses

C'est pour le savoir que Ciska Markwick-Kemper de l'Université de Manchester et plusieurs de ses collègues ont joint leurs compétences pour employer le télescope Spitzer et analyser la lumière en provenance du quasar PG2112+059 situé à 8 milliards d'années-lumière environ.

Cliquez pour agrandir. Crédit: Nasa/JPL-Caltech/F. Markwick-Kemper (Université de Manchester)

A nouveau, différents types de minéraux ont été détectés comme on peut le voir avec le spectre ci-dessus. Parmi eux  et comme indiqué, on trouve de l'olivine (violet), de la forsterite (bleu) et du corindon (bleu clair), la plupart à l'état amorphe sans structure cristalline.

Or, la forsterite, contrairement au corindon qui est un minéral dur que l'on retrouve dans les rubis, ne résiste pas longtemps aux rayons cosmiques. Ce qui veut dire qu'elle a très probablement été synthétisée dans les vents des quasars. Elle n'aurait pas séjourné longtemps dans le milieu interstellaire avant d'être temporairement capturée par le trou noir central de PG2112+059. En outre, le corindon lui-même s'entoure rapidement d'une couche d'autres composés chimiques et s'observe donc rarement dans le milieu interstellaire. Toutes ces indications pointent donc clairement en direction d'une production de poussières bien spécifiques aux trous noirs et surtout aux quasars.

L'une des sources potentielles des poussières présentes très tôt dans l'histoire de l'Univers semble donc bien avoir été trouvée. Les opposants à la théorie du Big Bang perdent là, une fois plus, un argument à opposer au modèle standard de la cosmologie.

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