Les quasars et autres galaxies à noyau actif

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, cet objet présente de gigantesques lobes radios symétriques qui perturbent le milieu ambiant.

Deux images de 3C273. Situé à 2 milliards d'années-lumière, 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"). Document ESO. A droite le même objet photographiée par un amateur, David Hanon avec un télescope de 600 mm équipé d'une caméra CCD SBIG ST8-E. Il s'agit d'un composite RGB.

Plus connue, située à 60 millions d'années-lumière, la galaxie elliptique géante M87 Virgo A (alias 3C274 ou encore NGC 4486) 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 ! 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.

A consulter:

Atlas des radio galaxies et des objets assimilés (DRAGN)

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'amateur Bernard Lempel pour un complément d'information sur la dynamique de cette galaxie.

3C274 - Virgo A M87 alias 3C274 est une galaxie géante 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. Chaque lobe est associé à un jet formé par un champ magnétique intense qui s'échappe du disque d'accrétion central. Cliquer sur les images pour les agrandir. Documents du VLA/NRAO enregistrés à 91cm 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. A la NASA (GSFC), grâce au télescope gamma EGRET, Neil Gehrels 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.

Toutes les radiosources que nous venons de décrire semblent avoir plusieurs points communs:

- Elles présentent une densité d’énergie intense (3000 M_¤c² vers Z=2)

- Elles se situent à de grandes distances (4.8 ³ Z ³ 0.8)

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

- Les noyaux de ces galaxies actives sont extrêmement lumineux (jusqu'à 10¹⁵ L_¤)

- Les sources sont très compactes et très massives

- Le rayonnement n'est pas d'origine stellaire

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

- On assiste à des jets de plasma à des vitesses relativistes.

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 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. Selon Martin Rees un seul objet est susceptible d'expliquer ces propriétés : le trou noir.

Mais avant d’y venir, j’aimerais encore dire quelques mots à propos d’une polémique qui s’est développée dans les années 1980 à propos des quasars. Ce sujet est éclairant dans la mesure où il met en exergue l’attitude des scientifiques face à l’anticonformisme.

Polémique autour des ponts de matière

Bien des interprétations ont été proposées pour expliquer la nature des quasars. La plupart des astronomes considèrent que ces objets énigmatiques sont à leur distance réelle. Mais à mesure que les données s'accumulent, il apparaît de plus en plus difficile de les interpréter. La morphologie et les émissions des quasars sont très complexes et aucun scénario ne peut actuellement expliquer d'un seul jet l'ensemble de leurs manifestations, mis à part l’éventuelle hypothèse du trou noir. En particulier, la nature du décalage Doppler vers le rouge, considéré comme le résultat de l'expansion de l'univers n'est pas partagé par l'ensemble de la communauté des astronomes.

En 1983, un virulent débat opposa Halton Arp de Caltech et plusieurs de ses collègues aux fervents défenseurs de l'interprétation cosmologique. Parmi les objets de son Atlas of peculiar galaxies, Arp étudia certaines galaxies proches de la Voie lactée ainsi que des amas compacts de galaxies dont les membres semblaient en interactions avec des quasars distants d'au moins un milliard d'années-lumière ! Pour expliquer ce phénomène Halton Arp suggéra que les quasars étaient situés beaucoup plus près qu'on l'imaginait. Il stipulait en particulier : "Le fait central, inéluctable, représentant mon principal désaccord avec la théorie acceptée, est le fait que les redshifts des objets extragalactiques ne sont pas entièrement provoqués par la vitesse"[26].

A gauche, Halton Arp dans les années 1970 alors qu'il était au Caltech examinant une photographie prise avec le télescope Hale de 5m. A droite, Arp 279, alias NGC 1273 d'Eridani, deux galaxies en interaction dont les redshifts semblent anormaux. Documents NGS et  IPAC traité par l'auteur.

D'autres astronomes partagèrent son opinion et trouvèrent les preuves nécessaires pour soutenir leurs revendications. Mais ce débat est loin d'être une polémique stérile et ne sera certainement pas clôturé d'aussitôt.

Le couple extragalactique suscitant le plus de controverses est formé par la galaxie NGC 4319 et le quasar Mrk 205. La différence de vitesse atteint un facteur 12 mais le couple semble pourtant relié par un pont de matière. Halton Arp et Geoffrey Burbidge considèrent que ces deux objets sont réellement connectés et citent[27] d'autres systèmes dans lesquels nous trouvons également des associations physiques, quartets, quintets et autres amas compacts. A posteriori il n'est pas improbable de trouver d'autres configurations de ce genre, la chance que nous en trouvions dans un couple de galaxies étant de (1/2)², soit 25%. Mais il devient hautement improbable lorsqu'il concerne des amas plus nombreux, tel VV172 qui comporte 5 membres, dont l'un d'entre eux accuse un mouvement deux fois plus rapide que ses compagnons[28].

Le modèle standard de quasar explique ces effets Doppler par l'accrétion d'un disque composé de poussières et de gaz qui entourerait l'objet. La présence de ces nuages affecterait le spectre du quasar, en particulier par une discontinuité spectrale à 91.2 nm. Or l'analyse ultraviolette n'a mis en évidence aucune discontinuité de ce type dans les 19 quasars examinés en 1990[29]. D'autres chercheurs[30] ont découvert que certains quasars présentaient un creux à la place de la célèbre forêt Lyman-alpha, et ce à différentes longueurs d'ondes. C'est la raison pour laquelle Arp suggéra que le modèle standard de quasar était faux. Arp et ses collègues[31] reconnaissent que ces décalages restent inexpliqués mais ils suggèrent qu'ils pourraient être provoqués par des masses de gaz éjectées ou attirées par un objet inconnu. Ils soulignent toutefois que l'allusion aux trous noirs est prématurée, d'autant qu'il s'agit d'une théorie dérivée d'une extrapolation à partir d'une formule mathématique qui reste loin d'être confirmée par l'observation. Ils sous-entendent qu'il vaudrait mieux amender la théorie plutôt que de croire qu'il existe des singularités dans la nature. Et de conclure, ce n'est pas parce qu'une théorie prédit leur existence et parce que cette théorie est familière, qu'il n'existe pas d'autres alternatives. Le monde d'Aristote subsista près de 2000 ans pourtant il était faux.

Le spectre des quasars présente malheureusement suffisamment d'anomalies pour conforter les idées de tous les chercheurs. Il existe une dépendance du redshift vis-à-vis de la magnitude apparente des quasars sur laquelle se greffe une dépendance en fonction de la distance des objets. Si les quasars présentaient le même redshift, mais étaient répartis uniformément à travers tout l'univers, leur nombre total augmenterait d'un facteur quatre pour chaque magnitude à mesure que l'on s'éloignerait dans l'espace. Or Arp et ses collègues considèrent que ce n'est pas ce qui se passe en réalité. La découverte d'une chute drastique du nombre de quasar au-delà de Z = 2 représente donc un problème majeur. Pour Z = 3 ou 4, les échantillons photographiés seraient les quasars les plus brillants à cette distance.

Arp 331 alias 3C31. L'image radio réalisée à 3.6 et 21 cm (en rouge) a été superposée sur une image optique (en bleu). Documents VLA/NRAO/Alan Bridle.

A priori, étant donné que la galaxie et le quasar ne peuvent pas être reliés physiquement sur une aussi longue distance, Arp s'orienta vers une solution non cosmologique. Il soumit ainsi plusieurs idées à la sagacité des scientifiques :

- Quelle preuve avons-nous que le phénomène Doppler est lié au mouvement d’expansion de l’Univers ? Sur les milliards d'années-lumière que parcourt un photon, n'y a-t-il pas d'autres phénomènes qui peuvent l'influencer ? Cette remise en question des méthodes cosmologiques bouleverserait néanmoins toutes les lois physiques sans apporter la moindre solution.

- Trop distants que pour interagir, il faut considérer que l'effet Doppler ne s'applique pas à l'ensemble des objets de l'univers. Ce corollaire est tout aussi embarrassant.

- Si le décalage Doppler n'est pas fonction de l'éloignement, ces quasars peuvent très bien être reliés à leur galaxie hôte. Dans ce cas, le déplacement rapide des raies spectrales pourrait s'expliquer par l’éjection de matière à partir du noyau.

De telles assertions suscitèrent une violente polémique dans la communauté scientifique. S'il fallait à ce point amender les théories fondamentales, mieux valait considérer ces observations comme des artefacts optiques ou des effets gravitationnels locaux. La chose était classée. Ce n'est pas la première fois qu'une telle controverse surgit dans le domaine de l'astronomie. Mais cette fois ces divergences mirent en doute les compétences du célèbre astronome à qui l’on refusa l’accès aux observatoires de Las Campanas et de nouveaux crédits de recherches. Ces refus suscitèrent sa démission du Caltech.

Soyons rassurés, Arp reprit ses travaux au Max Planck Institute en Allemagne. En 1987, il écrivit un livre dont le titre Quasars, Redshifts, and Controversies reflète bien l'état dans lequel se trouvait la communauté scientifique à l'époque. Il publia par la suite Seeing Red. Ces livres seront précieux pour toutes les personnes qui s'intéressent aux problèmes cosmologiques^[32].

Prochain chapitre

Interprétations des mesures