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Les quasars et autres galaxies à noyau actif

Centaurus A, NGC 5128. Document ESO.

Les radiogalaxies (V)

Associées à des radiosources compactes, il s'agit de galaxies géantes dont le noyau très lumineux ne permet pas de distinguer l'enveloppe visuellement. Ce noyau est le siège d'une émission très ponctuelle. Celle-ci présente des raies spectrales en émission et un rayonnement polarisé.

Ces galaxies sont également connues sous le nom de blazars ou de galaxies elliptiques géantes dont Centaurus A, la radiosource associée à NGC 5128 est la seule représentante relativement proche[25].

Sur les clichés à longues poses, ces galaxies ont d'ordinaire un petit noyau mais il rayonne avec éclat. Proches des galaxies de Seyfert, elles sont toutefois plus pâles que ces dernières.

Comme la galaxie de Seyfert Cygnus A ou la galaxie centrale de l’amas Abell 1559, les radiogalaxies présentent de gigantesques lobes radios symétriques qui perturbent le milieu ambiant.

Plus connue, située à 58 millions d'années-lumière, la galaxie elliptique géante M87 Virgo A (alias 3C274 ou encore NGC 4486) présentée ci-dessous à droite, est l'une des principales galaxies de l'amas Virgo. Elle renferme au moins trois mille milliards d'étoiles ! Dans son halo, on dénombre 10000 amas globulaires !

A gauche, 3C273 est un quasar, en fait une galaxie de Seyfert dont le noyau très actif abriterait un trou noir. Elle se caractérise par une fluctuation de son rayonnement et un jet qui s'étend sur plus de 5000 années-lumière (30"). A droite, la radiogalaxie M87, alias Virgo A et son jet caractéristiuque. Documents ESO et HST/STSci

Cette galaxie géante fut observée par l'astronome Hebert Curtis de l'Observatoire de Lick en 1918, qui découvrit que cette galaxie lançait dans l'espace un jet brillant de matière sur 5000 années-lumière (30" d'arc). Ce jet très spectaculaire visible en lumière blanche est délié et se divise en plusieurs condensations, séparées par des intervalles réguliers de 600 années-lumière. Ce jet est animé d'une vitesse supérieure à 20000 km/s et est produit par un objet dont la période est de 6600 ans. Tout comme les galaxies de Seyfert, M87 émet à toutes les longueurs d'onde un rayonnement synchrotron.

Mais toutes les galaxies de cette famille n'émettent pas dans le spectre visible. La magnitude de M87 décrut de 2.5 magnitudes entre 1956 et 1980. Seul un corps massif pouvant engendrer des vitesses relativistes peut expliquer ces phénomènes. Consulter à ce propos l'analyse numérique réalisée par l'astronome amateur Bernard Lempel pour un complément d'information sur la dynamique de cette galaxie.

A consulter:

Atlas des radio galaxies et des objets assimilés (DRAGN)

3C 274 - Virgo A

M87 alias 3C 274 est une galaxie géante située à 53 millions d'années-lumière, une DRAGN dont le noyau projette deux lobes radios à près de 200000 années-lumière de distance. A gauche l'image à grande échelle, au centre l'agrandissement et à droite sa modélisation. Chaque lobe est associé à un jet formé par un champ magnétique intense qui s'échappe du disque d'accrétion central entourant un trou noir hypermassif. Documents du VLA/NRAO enregistrés à 91 cm de longeur d'onde et dessin du STScI.

Les Lacertides

L'étoile BL du Lézard (BL Lacertae) fut classée pendant presque la moitié du siècle dans la catégorie des étoiles variables. Il fallut l'analyser en détail pour y reconnaître un objet extragalactique très compact, très intense, radiosource de surcroît qui émettait un rayonnement synchrotron similaire à celui des quasars. Il s'agit en fait d'une sous-famille des galaxies à noyau actif. Le rayonnement visible des Lacertides peut fluctuer d'un facteur 4 en deux jours ou s'amplifier d'un facteur 100 ! Ils sont donc similaires aux QSO très variables, les OVV.

Leur spectre UV est pentu et leur taux de polarisation atteint environ 5%. Leur luminosité est équivalente à 100 fois celle de notre Galaxie. Les objets de ce type sont animés d’une vitesse comprise entre 15000 km/s (AP Librae) et plus de 254000 km/s pour AO 0235+164, tous étant situés au-delà du milliard d'années-lumière, franchissant parfois même le seuil des 10 milliards d'années-lumière ! Leur spectre ne présente pas de raies d'émission (sauf les BL Lac pâles); il est typique des galaxies elliptiques. Cela conduit à penser que ces objets ne contiennent pas de gaz et seraient probablement des radiogalaxies elliptiques lointaines dont le noyau serait hypermassif, produisant des effets relativistes sur le rayonnement.

Comme les quasars et les radiogalaxies, les objets de type BL Lac subissent des variations de flux dont la période est inférieure à l'année. Ces variations sont soudaines et violentes et sont répercutées sur l'ensemble du spectre. Le déclin se fait de façon plus lente, à la vitesse de l'expansion du milieu ambiant. L'origine la plus probable est l'injection d'électrons relativistes dans le plasma. Plusieurs dizaines de BL Lacertides ont été catalogués mais nous ne savons pas grand chose de plus sur ces objets.

Grâce au télescope gamma EGRET, Neil Gehrels de la NASA/GSFC a toutefois découvert en 1992 que les images de trois quasars étaient superposées à des BL Lacs. Mais les théories sont prises en défaut car les théoriciens manquent de modèles pour expliquer leurs comportements. Ces Lacertides comptent encore parmi les objets les plus mystérieux du ciel et représentent avec les Blazars environ 1% de la population des quasars.

Le modèle unifié des noyaux actifs de galaxies

Les quasars et toutes les galaxies à noyau actif (radiogalaxies, galaxies de Seyfert I et II, Blazars, Lacertides, etc) semblent apparemment différents mais les astrophysiciens qui les ont observés sous tous les aspects pensent qu'ils présentent en réalité tous la même structure. En effet, si on change l'orientation de la ligne de visée, ce qui apparaît en vue polaire comme une galaxie ayant un noyau très lumineux ressemble vu de profil à un tore de gaz et de poussières entourant un noyau émettant un puissant jet bipolaire. On peut donc postuler que même s'il existe de réelles différences entre certains AGNs, ils ont des similarités de base à différentes échelles.

Les jets spectaculaires émis par les quasars (DRAGN). A gauche, 3C31 (NGC 383) alias Arp 331 situé à 240 millions d'années-lumière. L'image radio obtenue à 3.6 et 21 cm (en rouge) par le VLA a été superposée sur une image optique (en bleu) du Télescope Spatial Hubble. A droite, M84 (NGC 4374) alias 3C272.1 situé à 60 millions d'années-lulière avec, en rouge l'image obtenue à 6 cm par le VLA et en vert-bleu celle en visible par le Télescope Spatial Hubble. Ci-dessous à gauche, l'image X de 3C31 enregistrée par le satellite Chandra en 2016 et à droite l'image du coeur de M84 prise par le Télescope Spatial Hubble. Documents NRAO/AUI2006/Alan Bride, NASA/CXC et NASA/ESA/STScI

Tous les AGNs et radiosources que nous venons de décrire semblent avoir plusieurs points communs :

- Ils se situent à de grandes distances (z=0.8 à 4.8 sinon davantage)

- Ils présentent une densité d’énergie intense (3000 M2 vers z=2)

- Ils transforment jusqu'à 1000 M en énergie chaque année

- Ils brillent pendant plusieurs millions d'années, consommant l'équivalent de 100 milliards d'étoiles

- Ils émettent une énergie phénoménale (jusqu’à 1061 ergs/s, plus de 1025 W/Hz vers 1420 MHz)

- Le noyau des AGNs est extrêmement lumineux (jusqu'à 1015 L)

- Les sources sont très compactes et très massives

- Le rayonnement n'est pas d'origine thermique (issu des réactions thermonucléaires stellaires)

- Le rayonnement émis varie très rapidement (jusqu’à quelques heures)

- On observe l'émission de jets de plasma et parfois à de lobes radios à des vitesses relativistes.

Le modèle unifié des AGNs proposé en 1995 par Paolo Padovani et Megan Urry.

Comment peut-on expliquer l'ensemble de ces phénomènes à travers une seule et même théorie ? L'hypothèse de travail se base sur la théorie d'Einstein. Il est impossible qu'une source de rayonnement non cohérente puisse interagir à travers une galaxie à une vitesse supérieure à celle de la lumière. Sa lumière globale ne peut pas varier plus rapidement que le temps nécessaire à sa propagation dans toute la dimension de cette source. Ces variations se produisant de façon importante en l'espace d'une année, ces objets doivent donc avoir une dimension maximale inférieure à l'année-lumière. Mais comment une région de quelques semaines ou quelques mois-lumière peut-elle émettre autant d'énergie que 10000 galaxies ?

Toutes ces manifestations, à la fois rapides et violentes en termes de puissance et de perturbations du milieu ne semblent avoir qu'une seule origine possible : la présence dans le noyau de ces galaxies d'une source d'énergie compacte, très massive et très puissance. Un seul objet est susceptible d'expliquer ces propriétés : le trou noir.

En 1995, le physicien Paolo Padovani de l'Université de Rome et l'astronome Megan Urry du STScI résumèrent ce modèle unifié dans un article très détaillé intitulé "Unified Schemes for Radio-Loud Active Galactic Nuclei" dans lequel figurait une version simplifiée du graphique présenté à gauche repris depuis dans de nombreux articles et livres.

Le schéma de Padovani et Urry montre que lorsqu'on observe de profil un trou noir extragalactique actif (avec un jet bipolaire) caché au coeur d'une lointaine galaxie et présentant un disque d'accrétion et de poussière absorbant, on a l'impression d'observer une radiogalaxie ou une galaxie de Seyfert 2. Si on observe le même objet de face, on a l'impression d'observer un un Blazar ou une Lacertide (BLac). Enfin, quand on l'observe sous un angle intermédiaire, on a l'impression qu'il s'agit d'un quasar ou d'une galaxie de Seyfert 1, qu'il soit radio ou non. Nous détenons enfin une explication qui résout bon nombre d'énigmes !

Voyons à présent comment se comportent les quasars à grande échelle, car une découverte surprenante nous attend.

L'alignement des quasars

En décembre 2015, Damien Hutsemékers et ses collègues du Département d'Astrophysique, Géophysique et Océanographie (AGO) de l’Université de Liège ont publié dans la revue "Astronomy & Astrophysics" les résultats d'une étude portant sur un échantillon de 93 quasars connus pour s'associer en longues chaînes s’étalant jusqu'à plus de 9 milliards d’années-lumière. Il s'agit du "Large Quasar Group" ou LQG constitué des groupes U1.27 (alias Huge-LQG comprenant 73 quasars) et U1.28 (alias CCLQG comprenant 34 quasars) situés vers z~1.3 soit environ 8.8 milliards d'années-lumière décrits par Roger Clowes et al. en 2013. Rappelons que c'est la plus grande structure cosmique après le Grand Mur d'Hercule-Couronne Boréale.

Illustration de l'alignement de l'axe de rotation des quasars le longs des filaments de matière distribués à grande échelle dans le jeune univers (z~1.3). Document ESO/M. Kornmesser.

Les chercheurs ont étudié ces quasars au moyen du spectrographe FORS (FOcal Reducer and low dispersion Spectrograph) du VLT et ont fait une surprenante découvert : l"axe de rotation de ces quasars s'aligne sur la direction des filaments de matière qui tissent l'univers à grande échelle, et ce sur plusieurs milliards d’années-lumière. Cette découverte toute à fait inattendue mérite quelques explications.

Que dit la théorie à propos de ces structures et de cet alignement ? Nous avons expliqué à propos de la structure de l'univers que les modèles numériques prédisent l’existence de "toiles cosmiques" entre les objets extragalactiques. Ces structures devraient présenter une taille maximale de 350 Mpc soit 1.1 milliards d'années-lumière où l'univers devrait être homogène. Il ne devrait pas exister de structures plus grandes car, selon les calculs, l'Univers n'aurait pas eu le temps de les former. Selon Hutsemékers, "les modèles montrent que sous l’influence de la gravité, les moments angulaires, c'est-à-dire les axes de rotation des galaxies suivent l'orientation de la structure à laquelle elles appartiennent".

L'étude du groupe LQG a montré que cette surdensité de quasars forme une structure de plus d’un gigaparsec soit plus de 3.26 milliards d’années-lumière et était déjà formée à une époque où l’Univers n'avait que 5 milliards d’années. Cette structure est 10 fois plus vaste que les plus grandes structures observées à ce jour et 3 fois plus grande que les limites prédites par le modèle Standard. S'agit-il d'un regroupement aléatoire ou d'une véritable structure unique, il fallait faire toute la lumière sur cette découverte. Et le mot était approprié car c'était dans l’émission de la lumière du disque d’accrétion de ces quasars que se trouvait la réponse à cete énigme. En effet, compte tenu de leur éloignement, les quasars sont trop petits pour qu'on puisse observer directement leur structure interne et dans le cas présent seule l'étude spectroscopique de la lumière qu'ils émettent permet de déduire leurs caractéristiques.

Distribution des 73 quasars dans le groupe U1.27 découvert en 2012. Document MNRAS/R.Cowes et al.

Le second point intriguant est l'alignement des axes de rotation de certains de ces quasars. Comme tous les corps célestes, l'orientation de l’axe de rotation d'une galaxie animée d'un mouvement inertiel (sans influence d'une force gravitationnelle locale) est aléatoire. Il y a statistiquement très peu de chance que les axes de rotation de plusieurs galaxies soient alignés, et dans ce cas ce serait même un indice fort en faveur de leur appartenance à un même groupe (cf. l'exemple de la galaxie sombre VCC 1287 de l'association Virgo).

Les chercheurs ont donc déterminé l’orientation de l'axe de rotation des disques d’accrétion des différents quasars observés. Pour y parvenir, ils ont mesuré la polarisation de la lumière des quasars sachant que normalement la lumière n'est pas polarisée. Une extinction partielle d'un plan de vibration de la lumière révélerait que la lumière ne se propage pas de manière homogène et que l'objet serait orienté dans une direction préférentielle (comme la réfraction de la lumière sur ou plutôt dans la surface d'une fenêtre ou de l'eau crée une polarisation).

Dans le cas des corps célestes (Lune, lumière zodiacale, couronne solaire, nébuleuses, quasars, etc), cette polarisation peut être produite par des électrons (champ magnétique) ou de la poussière. Dans le cas des quasars, la direction de l'angle de polarisation est lié à celui du disque d'accrétion qui entoure le trou noir supermassif qu'ils abritent.

Les chercheurs ont découvert que sur les 93 quasars analysés, 19 candidats émettaient une lumière polarisée suffisamment intense pour être étudiée et découvrirent qu’ils étaient alignés entre eux malgré les milliards d’années-lumière les séparant. Plus étonnant, ils semblent aligner avec l’axe du filament dans lequel ils se trouvent. La probabilité que de tels alignements soit lié au hasard n'est que de 1%. 

Si les simulations le prévoyaient, ce que les chercheurs ont observé dépassent les prévisions. Selon les chercheurs : "l’information sur la polarisation vient renforcer l'idée que nous sommes en présence d’une structure unique à ce jour dont les membres subissent un phénomène d’alignement. C'est peut-être la preuve qu’il manque un ingrédient dans nos modèles actuels."

Le spectrographe FORS1 installé au foyer Cassegrain de l'UT1 du VLT depuis 1998. Sa résolution spatiale est de 0.125" /pixel. Document ESO.

Il faut à présent comprendre la nature de ces alignements à aussi grande échelle. Ce type d'alignement fut déjà observé dans des galaxies proches en 2013, mais jamais jusqu'à alors dans des quasars et à si grandes distances. Selon les théories, il n'est pas établi que les quasars abritant un trou noir supermassif se comportent comme des galaxies moins massives, mais les chercheurs reconnaissent que "c'est une bonne première piste à creuser. Nous pouvons légitimement suspecter, en extrapolant ce qu’on connaît pour les galaxies, que le même mécanisme peut agir pour les quasars.".

Malheureusement nos théories sont encore très incomplètes. Il est trop trôt pour imaginer un processus qui serait commun à l'origine de l'alignement de l'axe de rotation des galaxies proches et à celui des quasars les plus éloignés car rien ne prouve que la rotation d'une galaxie entière obéit aux mêmes principes que la rotation d'un trou noir supermassif.

Comme le dit Hutsemékers, s'ajoute à ces question le fait que ces alignements sont en contraction avec le principe cosmologique qui suppose que l'Univers est isotrope et homogène à grande échelle. Même si un principe n'est pas une loi, ces corrélations seraient une "anomalie" dont on ignore l'origine.

En revanche, ce qui est très positif, c'est que cette découverte renforce les observations des mesures de polarisation des objets extragalactiques souvent interprétées par un effet de polarisation de la lumière par le milieu interstellaire. Cette étude a démontré que ce n'est pas toujours un effet parasite mais bien un phénomène lié à un mécanisme physique au sein même de l'objet étudié.

Concluons avec les chercheurs : "Il y a là un aspect assez intrigant. Trouver une telle structure d’un gigaparsec, ce peut être une fluctuation statistique. Mais si nous commençons à en trouver d’autres, on devra revoir le modèle, et faire intervenir de nouveaux facteurs. D’un autre côté, il faut voir si nous ne sommes pas en présence d’une structure mal définie. Nous devons caractériser ces alignements pour vérifier qu’ils ont bien du sens. Tous ces travaux sur les quasars sont très récents, il y a encore beaucoup à faire. Nous sommes des observateurs davantage que des théoriciens, mais il faut se pencher plus longuement sur la question." Une nouvelle fois comme c'est souvent le cas dans les sciences de l'observation, l'expérience devance la théorie. On y reviendra dans le cadre de la philosophie des sciences et du clivage entre théorie et pratique.

Dernier chapitre

Controverse autour des ponts de matière

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[25] J.Bailey et al., Nature, 322, 1986, p150.


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