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Étudier l'énergie noire avec les noyaux actifs de galaxies

ActualitéClassé sous :Univers , matière noire , cosmologie

La détermination précise des distances est l'un des piliers sur lesquels s'élèvent l'astronomie et l'astrophysique. Un groupe de chercheurs japonais vient de trouver une nouvelle méthode élégante et simple pour déterminer celle des noyaux actifs de galaxies et indirectement la valeur de la constante de Hubble. Elle fournit donc un nouvel outil pour étudier la nature de l'énergie noire.

Une image de Centaurus A, révélant les jets émis par le très actif trou noir central de la galaxie. Ceci est une image composite obtenue avec trois différents instruments, fonctionnant à différentes longueurs d'onde. Les données submillimétriques à 870 microns de l’instrument Laboc sur Apex sont montrées en orange. Les données aux rayons X de Chandra sont montrées en bleu. Les données de lumière visible du Wide Field Imager (WFI) du télescope MPG-Eso de 2,2 mètres situé à La Silla, au Chili, montrent les étoiles et la ligne de poussières caractéristique de la galaxie quasiment en couleurs « réelles ». © Eso, Nasa

Comme le montre le cours d'astronomie et d'astrophysique en ligne de l'observatoire de Paris, « Fenêtres sur l’univers », toutes les recherches menées dans ces disciplines commencent avec des mesures de distance, de temps, de masse et de température. La cosmologie n'échappe bien sûr pas à cette règle, et c'est pourquoi on s'est donné pour tâche non seulement de cartographier le cosmos observable à l'échelle des galaxies, mais aussi de déterminer la vitesse d'expansion de l'univers. À cet égard, Hubble et surtout Lemaître nous ont appris qu'il y avait une relation entre la distance des galaxies suffisamment lointaines et leur vitesse d'éloignement apparente, plus précisément leurs décalage spectral vers le rouge (on l'exprime souvent en donnant la valeur d'un paramètre noté z).

La mesure de la constante de Hubble nous livre une estimation de l'âge de l'univers. On a donc cherché à la mesurer avec le plus de précision possible pendant des décennies. L'entreprise s'est révélée difficile. Pendant longtemps, on ne pouvait guère faire mieux qu'en déduire que l'univers devait avoir un âge compris entre 10 et 20 milliards d'années. La mise en service du télescope Hubble a permis des progrès significatifs. Grâce à Planck, nous savons désormais que l'âge du cosmos est d'environ 13,8 milliards d'années.

La constante de Hubble, des SN Ia aux AGN

En cours de route, nous avons aussi découvert que l'expansion de l'univers s'accélérait depuis quelques milliards d'années. On ne connaît pas encore la cause de ce phénomène, que l'on relie à l'existence d'une mystérieuse énergie noire. Comme on le savait depuis longtemps, la constante de Hubble ne l'est pas vraiment, elle change au court du temps. Toute nouvelle méthode de sa détermination, notamment à grande distance et donc dans un passé plus lointain, peut aider à faire la lumière sur la nature de l'énergie noire.

Le principe de la mesure de la constante de Hubble à l'aide de la variabilité des émissions de lumière d'un noyau actif de galaxie (aussi appelé AGN, active galactic nucleus en anglais) est représenté sur ce schéma. Un tore de poussières (dusty torus) émet de la lumière dans le proche infrarouge avec des pics de luminosité reliés à ceux dans l’ultraviolet produits par un trou noir supermassif central. Un décalage dans le temps entre les pics est relié à la distance d séparant le trou noir central de son tore de poussières.

Le principe de la mesure de la constante de Hubble à l'aide de la variabilité des émissions de lumière d'un noyau actif de galaxie (aussi appelé AGN, active galactic nucleus en anglais) est représenté sur ce schéma. Un tore de poussières (dusty torus) émet de la lumière dans le proche infrarouge avec des pics de luminosité reliés à ceux dans l’ultraviolet produits par un trou noir supermassif central. Un décalage dans le temps entre les pics est relié à la distance d séparant le trou noir central de son tore de poussières. © Astrobites

On a beaucoup utilisé les supernovae SN Ia dans ce but et on continue à le faire, comme nous l'avait expliqué le prix Nobel Saul Perlmutter. On pense que leur luminosité intrinsèque, qui est très grande, varie suffisamment peu pour que des mesures de magnitude apparente nous permettent d'en déduire des distances avec une certaine confiance. La mesure de leur décalage spectral nous permet ensuite d'en tirer la valeur de la constante de Hubble.

Un groupe d'astronomes a récemment déposé sur arxiv un article dans lequel ils montrent que l'on peut aussi se servir des noyaux actifs de galaxies (active galactic nuclei ou AGN en anglais) pour déterminer des distances et, in fine, la constante de Hubble. Comme les SN Ia, les AGN sont particulièrement lumineux, ce qui veut dire qu'on peut les détecter à des milliards d'années-lumière. Mais ils ont l'avantage d'être plus nombreux que les supernovae lorsqu'on fait des observations concernant des astres à grand décalage spectral vers le rouge. On sait par exemple qu'il y a beaucoup de quasars pour des décalages spectraux de l'ordre de z = 7.

Luminosité intrinsèque reliée à la taille du tore de poussières

L'idée mise en œuvre par les chercheurs est simple. Les AGN sont des trous noirs supermassifs entourés d'un tore de poussières. Le rayonnement ultraviolet intense qu'ils dégagent en avalant de la matière est partiellement absorbé par ce tore, qui réémet une partie de cette énergie dans le domaine infrarouge. Un AGN se comporte comme une source variable avec des pics d'intensité. Lorsqu'il s'en produit un dans l'ultraviolet, il s'en produit un dans l'infrarouge mais avec du retard. Ce décalage temporel s'explique bien par le fait que le rayonnement émis au centre de l'AGN doit voyager jusqu'au tore qui l'entoure. On peut montrer que la distance séparant le tore du trou noir central varie comme la racine carrée de la luminosité intrinsèque de l'AGN. Ses fluctuations permettant de déterminer cette distance, on peut connaître cette luminosité et la comparer à la magnitude apparente de l'AGN. Comme pour les SN Ia, plus l'AGN sera loin, plus sa luminosité apparente sera faible par rapport à sa luminosité intrinsèque.

Les astronomes ont testé leur méthode avec 17 AGN possédant un décalage spectral peu important et ils ont comparé les estimations obtenues avec celles dérivées de l'étude des céphéides hébergées par les galaxies. La précision des mesures s'est trouvée être comparable à celles atteintes en utilisant le télescope Hubble. On a donc toutes les raisons de penser que l'on dispose bien d'un nouvel outil complémentaire des SN Ia pour mesurer la valeur de la constante de Hubble à grande distance. S'il permettait de mettre en évidence une variation dans le temps de la constante cosmologique, nous saurions du même coup que l'énergie noire n'est pas une simple manifestation des fluctuations du vide quantique.

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