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Quasars : une leçon d'épistémologie

Dossier - Quasar : l'énigme des quasars
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Les quasars, ces astres extrêmement lumineux et lointains, sont identifiés : nous savons que ce sont des noyaux de galaxies très brillants. Leur nom signifie « quasi étoile ». Ils sont lointains, compacts et pleins d’énergie. Le dévoilement de leur mystère représente une magnifique page dans le livre des découvertes de l’astrophysique.

  
DossiersQuasar : l'énigme des quasars
 

Les quasars illustrent à merveille les démarches des scientifiques et de la communauté astronomique en particulier. On peut dire qu'à cet égard ils ont apporté autant aux épistémologistes qu'à la cosmologie sur plusieurs points.

Les quasars nous ont donné une bonne leçon d'épistémologie. © Nasa/JPL-Caltech/P. N. Appleton (SSC/Caltech), CCO

La distance des quasars

Les astronomes ont dû d'abord s'accorder sur la distance des quasars, donc sur leur nature et, par conséquent, sur la validité du Big Bang. Même si les controverses sur la distance des quasars ne sont plus défendues que par un quarteron de protagonistes vigilants, il est essentiel que la science ait pu progresser à l'aide d'hypothèses concurrentielles, car les efforts consentis pour vérifier un fait sont toujours productifs.

L'émission ultraviolette des quasars

Les quasars ont focalisé de saines rivalités au sujet du « moteur central » qui les fait briller. Trou noir ou amas d'étoiles ? Le modèle du trou noir en troublait plus d'un. N'avait-on pas renoncé trop vite aux étoiles ? En effet, l'émission ultraviolette des quasars est également l'apanage d'étoiles très chaudes et très massives. Certains avaient déjà songé à remplacer le trou noir par une étoile unique et supermassive, mais cette suggestion n'était pas tenable : assurément brillante à souhait, ce type d'étoile aurait malheureusement dû exploser voire s'effondrer, ce qui est un défaut irrémédiable !

En revanche, quelques indices devaient rapidement guider certains sur la voie des amas stellaires superdenses. Imaginer qu'au centre des galaxies une prodigieuse quantité de gaz se transforme sous nos yeux en étoiles nouvelles ne pouvait que retenir l'attention des plus aventureux. Dans ces gigantesques amas d'étoiles, les supernovae devenaient si nombreuses qu'elles pouvaient expliquer les variations d'éclats des quasars comme provenant d'explosions successives ou simultanées de supernovae.

Nous nous acheminons aujourd'hui vers une synthèse des théories en présence avec un trou noir central entouré d'un disque, de nuages denses, d'un tore poussiéreux, de nuages ténus et enfin d'un amas dense de jeunes étoiles en formation ! Quant à savoir qui de la poule ou de l'œuf doit réclamer l'antériorité ou comment ces processus interfèrent l'un sur l'autre lors de l'évolution d'une galaxie, de nombreux détails restent incompris. Quels mécanismes amorcent l'apparition des étoiles massives si près du trou noir central ? Le trou noir lui-même ? Quel est l'ordre d'apparition des mécanismes et comment agissent-ils les uns sur les autres ? Les quasars pourraient être ni plus ni moins que les phases les plus précoces de la formation des galaxies. Quels mécanismes ont donné naissance à ces trous noirs primitifs ? Nul ne le sait encore.

Lors de la formation rapide des premières étoiles dans les régions centrales des protogalaxies, de nombreux trous noirs auraient pu fusionner et se transformer très vite en quasars. Dans ce cas, les quasars seraient non pas à l'origine des galaxies, mais leur produit spontané. D'ailleurs, les spectres des quasars révèlent qu'ils contiennent non seulement de l'hydrogène, mais également des traces d'oxygène, du carbone et du fer, parmi beaucoup d'autres éléments. Or, les astronomes s'accordent à penser que ces éléments atomiques ne peuvent être formés que dans le cœur des étoiles massives, puis rejetés dans l'espace. De là à conclure que des étoiles ont dû apparaître avant les quasars sinon en même temps, il n'y a qu'un pas...

Des quasars pour scanner l’univers invisible

Au travers de facettes observationnelles très variées, les quasars permettent de scanner l'univers invisible. En effet la plupart sont très lointains et leur distance permet d'effectuer une véritable plongée dans le temps et l'espace. Les galaxies lointaines - dont le décalage vers le rouge est supérieur à 3 - le permettent aussi, mais leur lumière est très étalée, moins concentrée que celle des quasars. Pour cette raison, ces balises que sont les quasars agissent comme de véritables sondes, nous permettant d'avoir une idée de ce qu'il y a entre les galaxies. En effet, la lumière du quasar nous parvenant de très loin, elle a de grandes chances de rencontrer sur sa route certains des nuages de gaz diffus qui parsèment l'univers ; et l'analyse spectrale de cette lumière nous révèle les empreintes laissées par la matière qu'elle a traversée tout au long de son parcours.

Les quasars, des phénomènes extrêmes

Le quatrième point, qui concerne nos préjugés. Les quasars nous ont donné confiance dans l'extrapolation de nos théories les plus brutales... Finalement, événement non négligeable pour les astronomes, ils auront contribué à dessiller nos yeux sur le caractère extrême des situations décrites par la nature et que nous ne rencontrons qu'en dehors de notre biosphère, à savoir dans l'espace. Depuis que nous côtoyons les quasars, les extravagances de la nature, ses audaces sont recherchées, voire anticipés, en tout cas ne sont pas écartées dès lors qu'elles n'entrent pas dans le cadre étroit d'une théorie. Les quasars nous familiarisent avec les énergies et phénomènes extrêmes. Nous sommes prêts à voir, à identifier... et non à rejeter. C'est ainsi que d'autres balises sont venues concurrencer nos quasars. Parmi elles citons : les galaxies ultralumineuses en infrarouge, les supernovae lointaines et les sursauts dits gamma...

Nous savons que l'expansion de l'univers s'est accompagnée et s'accompagne encore d'un refroidissement inéluctable. Ce refroidissement est si efficace que 380.000 années après le Big Bang initial, les noyaux atomiques les plus abondants de l'Univers, l'hydrogène et l'hélium, deviennent électriquement neutres. L'univers est neutre ! Commence alors une période durant laquelle le processus physique dominant est la formation progressive des structures que nous connaissons aujourd'hui : premières étoiles, amas de galaxies, galaxies et les quasars, qui leur sont associés. L'effondrement gravitationnel est en marche : de petites structures se forment en premier, puis des structures de plus en plus grosses, par fusions successives.

Cette période reste énigmatique, elle constitue un point aveugle de notre compréhension. Nous l'appelons « âge sombre » parce qu'il n'y a encore aucune source de lumière qui en parvienne et qui puisse nous renseigner. Cette époque et cette tranche de l'Univers recèlent pourtant les trésors d'informations sur la manière dont les premières structures apparaissent peu à peu. Les astronomes continuent leur voyage vers l'infini, avec l'espoir que ces autres balises les mèneront au seuil de l'âge sombre.