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Les quasars et autres galaxies à noyau actif L'embrasement d'une galaxie (III)
Quel phénomène permet donc de former de telles brasiers à une époque aussi reculée ? Pour l'astronome James Gunn associé de Schmidt, il est impossible que les quasars rayonnent un milliard d'années seulement après le Big Bang; laissons le temps à la matière de se former! Les astronomes restent partagés sur le rayonnement des quasars, d'autant plus que certains semblent reliés à des galaxies "proches" par des ponts de matière. J’expliquerai un peu plus loin ce phénomène, dont vous pouvez déjà deviner les conséquences. L'analyse radioélectrique et spectrale des quasars révèlent des objets d'une nature très particulière. Nous venons de voir que le décalage Doppler est très important. 3C273 se déplace à 48000 km/s et se situe à environ 2 milliards d'années-lumière. Un grand nombre sont situés à quelque 10 milliards d'années-lumière et présentent un effet Doppler voisin de 2. En fonction de la fréquence, l'intensité du rayonnement est dominée par certains phénomènes physiques, chacun étant associé à un mécanisme d'émission particulier. Entre 1 cm de longueur d'onde et 10-10 m apparaissent 4 composantes : l'émission radio due à l'effet synchrotron, le rayonnement infrarouge provoqué par la poussière chaude, les rayonnements UV et X émis par le disque d'accrétion et les rayons X durs et gamma produit par l'effet Compton inverse[14]. Ces phénomènes produisent des effets bien différenciés : - Le gaz fortement excité par un fond continu de rayons UV et X libère ses électrons en émettant des raies d'émission intenses, dont celles de l'hydrogène, de l'oxygène, du carbone et de l'azote qui sont plusieurs fois ionisées; la friction des particules agite très fortement le milieu dont le plasma est animé d'une vitesse de l'ordre de 10000 km/s. Ces nuages incandescents (30000 K) restent invisibles en lumière blanche. - En général le rayonnement très intense décroît à mesure que la fréquence augmente. Le rayonnement radio ne représente que 1% du spectre total d'émission. Cette énergie fluctue de façon irrégulière, l'amplitude du continu pouvant varier de 50% en quelques jours ou quelques mois (type OVV). Au maximum de leur éclat, les quasars brillent avec une luminosité équivalente à 10000 fois celle d'une galaxie ordinaire. Ce rayonnement très irrégulier n'a pas une origine thermique et n'est pas généré par la nucléosynthèse des étoiles.
- Une minorité d'entre eux sont des radiosources. L'émission radio provient de deux lobes de plasma diamétralement opposés, très éloignés de l'objet, dont les particules (équivalentes à des millions de M¤) sont excitées par le rayonnement intense du quasar. Cette émission radio rappelle la structure des galaxies elliptiques. A partir de 1966 les astrophysiciens découvrirent que leur spectre présentait également des raies d'absorption, dont la célèbre "forêt" Lyman alpha (allant de 98 à 121 nm), signature de l’hydrogène neutre, la structure hyperfine de l’hydrogène atomique ou des ions de carbone, d'oxygène et de silicium plusieurs fois ionisés. Ces doublets et autres séquences de raies présentent pour la plupart un même décalage spectral et constituent ce que l’on appelle un “système”. Ils sont associés à de gigantesques halos de plusieurs dizaines de milliers d’années-lumière situés au premier plan, dans la ligne de visée du quasar. Ces nuages intergalactiques contiennent si peu de métaux par rapport au Soleil (1:10000) qu’ils n’ont probablement pas évolué depuis l’époque du Big Bang. Ces halos ne sont pas homogènes et se divisent en plusieurs fragments qui filtrent la lumière des quasars distants[15]. Lorsque le plasma est émis dans un angle proche de notre ligne de visée, nous assistons également à des effets relativistes : le centre émissif semble se déplacer plus rapidement que la vitesse de la lumière, jusqu'à 45c ! Ces effets ont été observés dans 3C273, 3C47 et une dizaine d'autres sources super-luminiques (SL) depuis 1966[16]. Enfin 10% des quasars présentent des raies d'absorption très larges (BAL) pour certaines éléments métalliques faiblement ionisés (SiIII, MgIII, etc) dont le mécanisme demeure inconnu, tel le "low-BALQSO" 1556+3517. Quel phénomène peut expliquer à la fois les jets de plasma relativiste, les raies d'émission et les différentes composantes du fond continu ? Aujourd'hui aucune théorie ne peut décrire correctement tous ces effets. Les astrophysiciens savent que le rayonnement intense est émis par le coeur des quasars et irradie le plasma qui l'entoure. Mais ils ignorent encore qu'elle est la source de cette énergie phénoménale et comment elle est transmise aux électrons. 3C273 est le quasar le plus étudié et le mieux connu. Il émet avec une énergie constante à toutes les longueurs d'onde du spectre. Mais il présente des variations de flux en lumière visible d'environ 15% en 24 heures et jusqu'à 40% sur la même période en infrarouge ! Les physiciens ont suggéré qu'au centre de cette structure la gravitation répond aux forces engendrées par des masses extérieures qui éjectent de la matière hors de l'astre.
Il est aujourd'hui encore très difficile d'expliquer une variation de rayonnement de quelques jours sur une aussi longue distance, mis à part l’effet relativiste bien connu. Si les quasars ont pu garder une activité constante pendant des milliards d'années, la loi d'équilibre d'Einstein impose qu'ils doivent peser des centaines de millions voire quelques milliards de masses solaires. Dans ce cas, le champ gravitationnel qui les entoure empêche la pression de radiation de les faire exploser. Cela pourrait expliquer le rayonnement du noyau des quasars très actifs. Les quasars ordinaires, d'une masse d'une centaine de millions de soleils ne sont pas à même d'équilibrer la force de radiation. Ils ne peuvent donc pas briller durant plus de 50 millions d'années. Cette courte durée de vie implique que la plupart des galaxies eurent une phase de quasar ou quasi-quasar dans leur jeunesse, il y a une dizaine de milliards d'années. Les théories varient donc considérablement selon que les astrophysiciens considèrent l’activité des quasars comme un effet induit par de gigantesques trous noirs ou plutôt comme des galaxies ordinaires cachant en leur sein des étoiles très massives qui se consumeraient en quelques millions d’années. Tous ces modèles sont intéressants car ils confrontent leurs protagonistes, qui n’hésitent pas à dénoncer les défauts des théories concurrentes, en particulier les spéculations et autres conjectures[17]. Il faut toutefois reconnaître que la plupart des astronomes adoptent volontiers la théorie du trou noir tapis au centre des quasars. Statistiquement, la distribution actuelle des quasars est d'environ 1 quasar pour 100000 galaxies. Cela étant, on considère aujourd'hui qu'ils étaient 1000 fois plus nombreux il y a 12 milliards d'années, peu de temps après le Big Bang. Leur lumière nous arrivant d'un passé très éloigné, à la date d'aujourd'hui ils ont probablement tous disparu, éteints ou transformés en galaxies géantes. Bien que situés à plus d'un milliard d'années-lumière, parmi les milliers de quasars connus certains sont visibles dans de petits instruments : 3C296, 3C228 (Abel 2199), 3C274 Virgo A, Cygnus A, Centaurus A qui dépassent pas la 14eme magnitude. Consulter le catalogue NGC/IC pour connaître leurs coordonnées et leurs paramètres.
Cette revue serait incomplète si nous ne disions un mot sur les microquasars. V4641 dans le Sagittaire par exemple est un système binaire constitué d'une étoile dense en orbite autour d'un trou noir. Situé à 1600 années-lumière, c'est un objet galactique qui n'a donc rien de commun avec les quasars au sens strict. Les radioastronomes ont toutefois découvert que le rayonnement de cet objet fluctuait. Après analyse on s'est rendu compte que l'objet central émettait un jet directionnel à environ 125 U.A., soit plus de trois fois la distance Soleil-Pluton et dont la vitesse apparente était 1.5 fois celle de la lumière. Ce sont ces similitudes avec le comportement des quasars qui sont à l'origine de leur surnom. Prochain chapitre Des galaxies dans le domaine des quasars
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