Image optique du quasar 3C 273, obtenue avec le télescope spatial Hubble. Le quasar réside au cœur d’une galaxie elliptique géante de la constellation de la Vierge, à une distance d'environ 2,5 milliards d'années-lumière. Un jet de matière provenant des régions centrales de la galaxie est visible à gauche de l'image. © CNRS, ESA, Hubble & Nasa

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Gravity observe en détail les tourbillons de gaz autour du premier quasar découvert

ActualitéClassé sous :Univers lointain , Quasar , 3C 273

En utilisant l'instrument Gravity, les astronomes ont observé comme jamais auparavant la distribution de nuages de gaz autour du trou noir supermassif derrière le tout premier quasar découvert, 3C 273, ainsi que leurs vitesses. Ils ont consolidé la mesure de sa masse ainsi que la méthode employée dans cette étude qui repose sur des sortes d'échos de lumière.

Les astrophysiciens et les cosmologistes ont commencé à postuler, il y a presque 50 ans, que de nombreuses galaxies possédaient un trou noir central supermassif. Depuis quelques décennies, nous avons des raisons de plus en plus solides de continuer à le croire. Notre Voie lactée en possède un et il contient environ 4 millions de masses solaires, selon toute vraisemblance. Et pourtant, ce n'est pas le premier à s'être signalé à l'humanité puisque cela fait 55 ans que nous avons fait la découverte du quasar 3C 273, comme Futura l'expliquait dans le précédent article ci-dessous.

Bien que situé à environ 2,4 milliards d'années-lumière de la Terre, 3C 273 est plus lumineux que toute notre Galaxie, alors qu'il occupe une région qui est de l'ordre de la taille du Système solaire. Cette luminosité le signale dans le visible de très loin dans l'Univers observable, comme tous les autres quasars d'ailleurs. Il est plus difficile encore d'observer son horizon des évènements et le disque de matière qu'il accrète, que dans le cas de la Voie lactée. Pourtant, comme l'explique une équipe internationale dont sont membres des astronomes du CNRS, de l'Observatoire de Paris-PSL, de l'Université Grenoble-Alpes et de l'Observatoire de la Côte d'Azur dans un article publié dans le journal Nature (mais disponible en accès libre sur arXiv), il a été possible de mesurer les vitesses de nuages de gaz particulièrement proches du disque d'accrétion en utilisant l'instrument Gravity du Very Large Telescope (VLT, Observatoire européen austral).

Des observations détaillées du quasar 3C 273 avec l'instrument Gravity ont révélé la structure du gaz en mouvement rapide autour du trou noir central supermassif. L'étude de ces trous noirs et la détermination de leurs masses sont essentielles pour comprendre l'évolution des galaxies en général. Cette vidéo montre un zoom débutant par une image prise dans le visible du quasar puis débouchant sur une vue d'artiste sur les environs d'un trou noir supermassif, composés d'un tore de gaz poussiéreux très chaud et infiltrant, et souvent d'un jet de matière éjecté à grande vitesse des pôles du trou noir. © Observatoire de Paris, L. Calçada/ESO

Rappelons que Gravity permet de combiner la lumière infrarouge en provenance des quatre télescopes du VLT pour créer un télescope virtuel de 130 mètres de diamètre. Il permet donc un saut dans la résolution des observations et en l'occurrence, la performance réalisée avec la région observée autour de 3C 273 - dont le rayon est d'environ 4.000 milliards de kilomètres - est équivalente à distinguer une pièce de monnaie depuis la Terre alors qu'elle se trouve sur la Lune. Il existe une relation entre la vitesse d'un objet en orbite autour d'un corps et la masse du corps aussi bien que sa distance. On peut donc en déduire la masse du corps attracteur si l'on mesure, par exemple, par effet Doppler cette vitesse. On peut essayer de le faire avec des raies d'émission de la matière. Ces raies, qui sont des caractéristiques d'atomes et de molécules bien connus en laboratoire sur Terre, en plus de subir un décalage vers le rouge ou vers le bleu par effet Doppler, vont être élargies d'autant plus que les particules émettrices vont vite.

Des échos de lumière pour peser précisément les quasars

Depuis un certain temps, les astronomes se basaient sur ces considérations et sur une méthode bien précise connue sous le nom de « cartographie de réverbération ». Non seulement pour avoir des renseignements sur la répartition de la matière autour du trou noir supermassif derrière le quasar, mais aussi pour faire des mesures des vitesses de mouvement de cette matière, et en déduire in fine la masse du trou noir géant. Comme l'explique Florentin Millour, astronome-adjoint à l'UMR Lagrange (CNRS-UNS-OCA), « Les données obtenues avec Gravity ont permis d'améliorer la précision d'un facteur 10 par rapport aux précédentes obtenues avec l'instrument Amber ». Amber, un autre instrument qui permettait de faire de la synthèse d'ouverture par interférométrie avec les télescopes du VLT avant la mise en service de Gravity.

La méthode de cartographie par réverbération se base sur des sortes d'échos de lumière. La luminosité du disque d'accrétion autour du trou noir supermassif varie dans le temps. Or, la vitesse de la lumière étant limitée, elle atteindra des régions contenant des nuages de gaz à différentes distances de ce disque à des moments différents. Cette lumière va exciter des atomes ou des molécules qui vont émettre à leur tour du rayonnement sous forme de raies d'émissions à des temps corrélés avec le moment de l'émission d'une impulsion par le disque, mais avec un retard en fonction de la distance au disque. On peut alors faire une sorte d'échographie révélant la structure de la répartition de ces nuages et leurs mouvements. Dans le cas de 3C 273, on montre que ces nuages sont bien dans un plan perpendiculaire aux jets du quasar. © Nature

En fait, les résultats obtenus sont encore meilleurs car la nouvelle estimation fournie de la masse de 3C 273, à savoir 300 millions de masses solaires, est 100 fois meilleure et surtout, elle confirme des estimations précédentes qui étaient moins précises. Elle conforte aussi notre confiance dans la crédibilité de la méthode de cartographie de réverbération. Elle avait déjà été utilisée pour étudier environ 60 quasars et l'on avait constaté qu'il y avait une étroite corrélation entre la luminosité des quasars et la masse du trou noir supermassif derrière ce phénomène.

Ces résultats sont précieux et nous pouvons penser qu'il y a une corrélation entre la masse des trous noirs supermassifs et la taille des galaxies qui les hébergent. Cela suggère un lien entre la croissance des galaxies et la croissance de ces trous noirs supermassifs dont les rayonnements émis peuvent fortement influer sur la capacité d'une galaxie à former de nouvelles étoiles. En appliquant la méthode de cartographie de réverbération à un plus grand nombre de quasars, nous devrions donc avoir de nouveaux aperçus sur l'évolution des galaxies et donc, indirectement peut-être, sur certaines énigmes de la cosmologie comme l'énergie et la matière noire.

« Les trous noirs supermassifs trop gloutons. » Toutes les galaxies abritent en leur centre un trou noir supermassif, de masse comprise entre un million et quelques milliards de masses solaires. Il existe un rapport de proportionnalité entre la masse de ces trous noirs et la masse du bulbe des galaxies, ce qui fait penser que la formation des étoiles et l’alimentation des trous noirs se produit simultanément. En quelque sorte, les galaxies et leurs trous noirs croissent en symbiose. Lorsque du gaz tombe vers le centre de la galaxie, le trou noir en avale le plus possible, mais la masse qu’il peut absorber est limitée. La chute de matière sur le trou noir libère une quantité considérable d’énergie, sous forme de rayonnement, et aussi sous forme d’énergie cinétique. Le noyau de la galaxie devient actif, soit un noyau de Seyfert, soit un quasar. Les vents et jets de plasma émis par le trou noir entraînent le gaz interstellaire environnant. Des flots de gaz moléculaire ont récemment été détectés autour des noyaux actifs, emportant tellement de masse qu’ils peuvent avoir un impact significatif sur l’évolution de la galaxie hôte, en régulant ou stoppant même l’approvisionnement en gaz pour la formation des étoiles. Les trous noirs gloutons, en recrachant leur nourriture, régulent la formation des étoiles. Nous détaillerons ces phénomènes, peut-être à l’origine de la proportionnalité entre masses des trous noirs et des bulbes. Françoise Combes est astronome à l'Observatoire de Paris au Laboratoire d'étude du rayonnement et de la matière en astrophysique (Lerma). Son domaine actuel de recherche concerne la formation et l’évolution des galaxies. © École normale supérieure - PSL

  • L'instrument Gravity permet de combiner les quatre grands télescopes du VLT de l'ESO, comme si l'on disposait d'un télescope de 130 m de diamètre pour faire des observations dans l'infrarouge.
  • Cette résolution accrue, qui a déjà permis d'étudier de plus près le trou noir supermassif de la Voie lactée, permet aussi un gain de résolution lorsque l'on se tourne vers un trou noir supermassif beaucoup plus lointain, en l'occurrence celui derrière le tout premier quasar découvert 3C 273.
  • Une méthode dite de cartographie par réverbération, se basant sur des échos de lumière, est devenue particulièrement précise avec Gravity.
  • Elle a livré une nouvelle estimation précise de la masse du trou noir de 3C 273 et a permis, pour la première fois, une observation de la répartition et des vitesses de nuages de gaz en orbite, rapprochés autour de l'astre compact.
  • La méthode est prometteuse avec Gravity pour étudier les autres quasars et les mystères qui les entourent.
Pour en savoir plus

50 ans d’énigme des quasars : un portrait de 3C 273 par Hubble

Article de Laurent Sacco publié le 27/11/2013

Il y a 50 ans cette année, les astronomes Schmidt et Oke annonçaient que la curieuse source radio découverte par Allan Sandage n'était pas une étoile mais un objet complètement inédit. Extraordinairement lumineux dans le visible et situé à des milliards d'années-lumière de la Voie lactée, le quasar 3C 273 a depuis été observé plusieurs fois par Hubble.

En 1963, Maarten Schmidt et John Beverly Oke publiaient dans le journal Nature les résultats des observations qu'ils avaient réalisées en utilisant notamment la technique des occultations. Ils cherchaient à déterminer la contrepartie optique d'une source radio puissante découverte quelques années auparavant par un autre astronome, Allan Sandage. La source avait été baptisée 3C 273, ce qui veut dire qu'elle était le 273e objet du troisième catalogue de Cambridge recensant les sources radio.

L'article de Schmidt et Oke fut un coup de tonnerre dans le ciel de l'astrophysique et de la cosmologie. L'analyse spectrale de l'astre qu'ils avaient identifié dans le visible dans la constellation de la Vierge révélait des lignes d'émission de l'hydrogène fortement décalées vers le rouge. Cela signifiait que ce qui apparaissait comme une étoile se situait en dehors de la Voie lactée, mais surtout à une distance cosmologique. Pour être observable d'aussi loin, l'objet devait être d'une luminosité prodigieuse.

L'astronome américain Allan Sandage (1926-2010) en 1982. Il a été le premier à obtenir une valeur correcte de la constante de Hubble, et est célèbre pour sa découverte du premier quasar, 3C 273, en 1959. © Douglas Carr Cunningham

Le quasar 3C 273, une preuve de la théorie du Big Bang

Cette découverte d'une quasi-stellar radio source, un quasar selon la dénomination proposée en 1964 par l'astrophysicien d'origine chinoise Hong-Yee Chiu, démontrait que l'univers était différent dans le passé, et donc évoluait. Ceci n'était pas possible dans le cadre du modèle cosmologique standard de l'époque, selon lequel, bien qu'en expansion, l'univers devait apparaître inchangé pour tous ses observateurs, quelle que soit leur position dans le temps. En revanche, l'existence de 3C 273 était en parfait accord avec la théorie du Big Bang, puisque celle-ci prévoyait que si l'on observait des objets à des distances suffisamment grandes, on remontait de plus en plus loin dans le passé et l'histoire d'un univers en évolution. Il était donc normal d'observer à des milliards d'années-lumière un univers dont l'aspect diffère de celui qu'il avait il y a seulement quelques dizaines de millions d'années, donc dans l'environnement proche de la Voie lactée.

On sait aujourd'hui que le quasar 3C 273 est situé à 2,44 milliards d'années-lumière à l'intérieur d'une galaxie elliptique géante. Comme les autres quasars, il s'agit très probablement d'un trou noir supermassif accrétant de la matière. Mais peut-être s'agit-il aussi d'un trou de ver. Les observations de RadioAstron pourraient nous apporter des surprises dans quelques années. Mais si nous sommes bien en présence d'un trou noir, alors on estime qu'il contient 887 millions de masses solaires.

En tout état de cause, 3C 273 est le quasar le plus brillant sur la voûte céleste. S'il se trouvait à 30 années-lumière, c'est-à-dire en gros sept fois la distance de notre étoile à Alpha du Centaure, il apparaîtrait aussi brillant que le Soleil.

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