Vue d'artiste d'un quasar. © Nasa, M. Kornmesser

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Énergie noire : les quasars révèlent-ils une nouvelle physique ?

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Le modèle cosmologique standard, bien confirmé jusqu'ici par de nombreuses observations, suppose que l'accélération de l'expansion de l'Univers observable est causée par une vraie constante cosmologique. Mais une nouvelle méthode d'évaluation de cette accélération avec des quasars suggère que ce n'est pas le cas, ce qui pointe en direction d'une nouvelle physique.

Le LHC est à l'arrêt pour quelques années, en attendant une version upgradée qui permettra de repartir à la chasse d'une nouvelle physique en rapport avec la matière noire et peut-être avec l'énergie noire. En fait, cette chasse continue parce que toutes les données collectées avec les détecteurs géants du LHC n'ont pas encore été analysées, et nous pourrions avoir de la chance dans un futur proche.

Toujours est-il que les physiciens, dans le domaine des astroparticules, ont eux d'autres outils disponibles dans le domaine de l'astrophysique et de la cosmologie avec des télescopes en orbite. La satellite Planck, notamment, a permis de poser de nouvelles contraintes sur la nature de la matière noire et de l'énergie noire. Curieusement, l'analyse des données collectées par Planck avec le rayonnement fossile, qui a renforcé le modèle cosmologique standard basé sur la matière noire froide et l'existence d'une constante cosmologique dont la nature est inconnue, a fourni une valeur de la fameuse constante associée à la loi de Hubble-Lemaître pour l'expansion de l'Univers observable. Mais elle ne coïncide pas avec celle déduite de l'étude des supernovae SN Ia. On ne sait pas encore ce que cela signifie, aucune erreur de mesure ne semble responsable de ce désaccord, et les données de Planck sont si robustes qu'il n'est pas facile de modifier la cosmologie standard, sans entrer en contradiction avec ces données.

Ce désaccord a été confirmé, il y a peu, avec une nouvelle méthode pour mesurer la constante de Hubble-Lemaître en utilisant des quasars. Ces astres exotiques viennent à nouveau d'être mis à contribution par une équipe d'astrophysiciens pour faire la lumière sur cette question, comme le montre un article publié dans Nature Astronomy mais en accès libre sur arXiv. Guido Risaliti de l'université de Florence (Italie) et Elisabeta Lusso de l'université de Durham (Royaume-Uni) ont utilisé dans leurs travaux les observations du télescope de l'ESA XMM-Newton, qui travaille dans le domaine des rayons X, et du SDSS (Sloan Digital Sky Survey) aux États-Unis, qui permet des observations dans le domaine des ultraviolets.

En 1895, le physicien allemand Wilhelm Röntgen découvrait des rayonnements dont il ne connaissait pas la nature, il les baptisa donc rayons X. Une des applications les plus connues de ces rayons se fait dans l'imagerie médicale. Dans l'espace, on s'intéresse surtout aux sources qui émettent ces rayons. Les dix ans de la mission XMM Newton sont le thème de cette édition de « Space ». © euronews (en français)

Des naines blanches et des quasars pour arpenter le cosmos

Pour comprendre de quoi il en retourne, rappelons que les SN Ia sont des supernovae associées à des naines blanches (ou des collisions de naines blanches) et que les explosions résultantes, très brillantes et visibles à des centaines de millions d'années-lumière et même des milliards, ont une luminosité intrinsèque relativement constante. On peut donc s'en servir comme des chandelles standards comme on dit (modulo quelques précautions), ce qui veut dire qu'elles permettent de mesurer des distances puisque l'on sait selon quelle loi une source lumineuse donnée est d'autant moins brillante qu'elle est loin. En mesurant aussi un décalage spectral vers le rouge, on peut, en combinant ces informations, déterminer à quelle vitesse l'expansion de l'univers observable se fait. Et c'est de cette façon que l'on a découvert que cette expansion s'accélère depuis quelques milliards d'années. Attention toutefois à ne pas confondre découverte de cette accélération et présence d'énergie noire, on peut avoir la première sans la seconde avec des cosmologies relativistes inhomogènes.

Rappelons maintenant que les quasars sont des trous noirs supermassifs au cœur de beaucoup de galaxies anciennes qui sont entourées d'un disque d'accrétion important et qui rayonne dans l'ultraviolet. En effet, la matière qui s'y trouve et qui finira souvent dans les trous noirs y est chauffée. Ce rayonnement ultraviolet, par effet Compton inverse, va devenir du rayonnement X à cause des électrons dans le plasma entourant ces trous noirs qui forme l'équivalent de la couronne solaire (les photons ultraviolets reçoivent une partie de l'énergie des électrons lors de collisions).

On connaissait depuis des décennies une relation entre la luminosité X et la luminosité ultraviolette des quasars, qui eux ne sont pas des chandelles standards a priori, puisque les masses et donc les énergies libérées par les trous noirs sont très variables, ce qui génère une gamme de luminosités intrinsèques qui le sont tout autant. Il est difficile de mesurer la masse de ces trous noirs mais Guido Risaliti et Elisabeta Lusso ont montré, remarquablement, que la relation entre luminosité X et luminosité ultraviolette des quasars donne leur luminosité intrinsèque au cas par cas, ce qui permet donc d'en déduire la distance à la Voie lactée.

Comme les quasars sont nettement plus lumineux que les supernovae, on peut les voir à des distances plus grandes et donc, in fine, mesurer la vitesse d'expansion de l'Univers observable à des époques plus reculées du passé du cosmos. Si les supernovae ne permettent que de remonter à 9 milliards d'années dans le passé, on peut atteindre les 12 milliards d'années avec les quasars selon les deux chercheurs. Environ 7.000 quasars ont été utilisés dans leur travail et ils ont constaté qu'ils obtenaient bien des résultats concordant avec les deux méthodes sur l'histoire de l'Univers observable communément sondée. On a donc de bonnes raisons de faire confiance à la méthode avec les quasars entre il y a 12 et 9 milliards d'années.

Une nouvelle cosmologie avec Euclid et le LSST ?

C'est là que les choses deviennent intéressantes. En utilisant les équations du modèle cosmologique standard, les deux astrophysiciens constatent que les données les plus vieilles s'écartent des prédictions. Le désaccord n'est que de 4 sigma, comme dit dans le jargon, donc pas encore assez pour une découverte (il faut 5 sigma), mais c'est suffisamment important pour attirer l'attention.

Selon Risaliti et Lusso, on peut reproduire les observations si l'on admet que la constante cosmologique n'est pas une vraie constante mais que sa valeur augmente avec le temps. Ce genre de comportement peut se comprendre avec l'existence d'un nouveau champ scalaire dans un modèle d'énergie noire dit de quintessence. Ce type de champ peut émerger des théories de supergravité ou de supercordes.

On ne peut encore atteindre aucune conclusion ferme, mais on sait que la mission Euclid dans l'espace et le LSST au sol vont entrer en service dans quelques années, et on attend justement d'eux qu'ils aident à découvrir un éventuel champ de quintessence.

En vidéo, les objectifs scientifiques d’Euclid. © ExplorNova

  • Les quasars sont des trous noirs supermassifs accrétant de la matière qui chauffe en formant un disque d'accrétion émettant notamment des rayons ultraviolets. Ces rayons ultraviolets reçoivent de l'énergie des électrons du plasma qui entoure le disque et passent dans le domaine des rayons X. Les deux rayonnements sont liés, en fonction de l'énergie libérée par les trous noirs supermassifs.
  • Les caractéristiques de ces rayonnements permettent d'en déduire la luminosité intrinsèque des quasars et donc leur distance à partir de leur luminosité apparente. Les quasars peuvent donc être utilisés en cosmologie comme les naines blanches pour mesurer la vitesse d'expansion de l'Univers observable et son évolution au cours du temps.
  • Les quasars sont visibles de plus loin que les naines blanches, ils permettent donc de sonder des temps plus reculés en ce qui concerne cette vitesse. Les mesures obtenues semblent en désaccord avec la cosmologie standard et pointent vers une valeur de la constante cosmologique, et donc probablement de la densité de l'énergie noire, qui augmente avec le temps.
  • Cela implique une nouvelle physique mais ces résultats restent à confirmer, par exemple avec le futur satellite Euclid ou le télescope LSST.
Pour en savoir plus

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

Article de Laurent Sacco publié le 20/04/2012

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.

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.

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