Quasar

Le substantif masculin[4]^,[5]^,[6] quasar est un emprunt[4]^,[5] à l'anglais[4]^,[5] américain[6]^,[7] quasar, un substantif[8] de même sens[4]^,[8], attesté en 1964[5]^,[9]^,[10]. Sa plus ancienne occurrence connue[11]^,[12] se trouve dans un article de l'astrophysicien sino-américain Hong‐Yee Chiu relatif à l'effondrement gravitationnel et paru dans la revue Physics Today en mai 1964[13]. C'est un mot-valise[14], contraction[15] de l'adjectif[16] quasi-stellar (« quasi-stellaire »), abréviation de quasi-stellar radio source (« source d'émission radio quasi-stellaire ») par adjonction de quas- — de quasi — à -ar — de stellar.

En français, le mot quasar est employé dès 1965[5]^,[17], avec sa première occurrence publique connue dans « Les monstres du Cosmos », un article de Pierre-Charles Pathé paru dans Le Nouvel Observateur le 7 janvier 1965[5]^,[17]^,[18].

Un quasar est composé de trois grandes parties principales[19]^{[source insuffisante]} :

• Le trou noir supermassif comportant la quasi-totalité de la masse du quasar (de quelques millions à quelques dizaines de milliards de fois la masse du Soleil[20]). Il est également le centre du quasar.
• Le disque d'accrétion est le disque formé par la matière qui tombe dans le trou noir. La force de friction engendrée par le frottement des gaz dans le disque engendre une forte chaleur[21].
• Les jets de gaz qui sont expulsés du disque d'accrétion par les lignes de champ magnétique du trou noir atteignent une vitesse proche de celle de la lumière.

Le quasar 3C 273, le plus lumineux jamais observé. Photographie prise par le télescope spatial Hubble.

On recense plus de 100 000 quasars (113 666 d'après le plus grand catalogue en 2006[22]). Tous les spectres observés montrent des décalages vers le rouge allant de 0,06 à 6,4 indiquant selon la loi de Karlsson qu'ils se situent à de très grandes distances de nous, le plus proche de nous étant à environ 240 Mpc (∼783 millions d'a.l.) et le plus éloigné étant à environ 4 Gpc (∼13 milliards d'a.l.), aux limites de l’univers observable[23].

Quoique faibles quand ils sont observés optiquement (leur décalage vers le rouge élevé implique que ces objets s'éloignent de nous) les quasars sont les objets les plus brillants connus dans l’Univers[24]^{[source insuffisante]}. Le quasar qui apparait le plus brillant dans notre ciel est l'hyper-lumineux 3C 273, dans la constellation de la Vierge. Il a une magnitude apparente d’environ 12,9 (assez brillant pour être vu avec un petit télescope) mais sa magnitude absolue est de −26,7. Cela veut dire qu’à une distance de 10 pc (~ 33 années-lumière), cet objet luirait dans le ciel aussi fortement que le Soleil. La luminosité de ce quasar est donc 2 × 10¹² fois plus forte que celle du Soleil, ou environ 100 fois plus forte que la lumière totale d’une galaxie géante, telle que notre Voie lactée.

Le quasar super-lumineux APM 08279+5255 avait, lorsqu’on l'a découvert en 1998, une magnitude absolue de −32,2, quoique les images à haute résolution des télescopes Hubble et Keck révèlent que ce système est gravitationnellement grossi. Une étude du grossissement gravitationnel dans ce système suggère qu'il a été amplifié par un facteur d’environ 10. Cela est encore beaucoup plus lumineux que les quasars tout proches tels que 3C 273. On pensait que HS 1946+7658 avait une magnitude absolue de −30,3, mais lui aussi était mis en valeur par l’effet de grossissement gravitationnel.

On a découvert que les quasars variaient en luminosité sur différentes échelles de temps. Certains varient en brillance tous les x mois, semaines, jours ou heures. Cette découverte a permis aux scientifiques de théoriser le fait que les quasars génèrent et émettent leur énergie dans une petite région, puisque chaque partie de quasar doit être en contact avec d’autres parties sur une échelle de temps pour coordonner les variations de luminosité. Ainsi, un quasar dont la luminosité varie sur une échelle de temps de quelques semaines ne peut être plus grand que quelques semaines-lumière.

Les quasars montrent beaucoup de propriétés comparables à celles des galaxies actives : le rayonnement est non-thermique et quelques-uns ont des jets et des lobes comme ceux des radiogalaxies. Les quasars peuvent être observés sur de nombreuses régions du spectre électromagnétique : les ondes radio, les infrarouges, la lumière visible, les ultraviolets, les rayons X et même les rayons gamma.

La plupart des quasars sont les plus brillants dans le domaine du proche ultraviolet (~ 121,6 nanomètres, ce qui correspond à la raie d'émission Lyman-α de l'hydrogène) dans leur référentiel propre, mais à cause des décalages vers le rouge considérables de ces sources, le pic de luminosité a été observé aussi loin que 900 nanomètres, soit dans le très proche infrarouge.

Les quasars de fer montrent des raies d’émission très fortes résultant du fer ionisé, tel que IRAS 18508-7815.

Cette photo, prise en lumière infrarouge, est une image en fausses couleurs d’un « tandem quasar-supernova », avec la plus lumineuse des explosions jamais observées dans ce type de combinaison. Ce couple fut découvert par une équipe de chercheurs venant de six institutions différentes.

Comme les quasars montrent des propriétés communes à toutes les galaxies actives, beaucoup de scientifiques ont comparé les émissions des quasars à celles de petites galaxies actives. La meilleure explication pour les quasars est qu’ils deviennent puissants grâce aux trous noirs supermassifs. Pour créer une luminosité de 10⁴⁰ W (la brillance typique d'un quasar), un trou noir supermassif devrait consumer la matière équivalente de 10 étoiles par an. Les quasars les plus brillants sont connus pour dévorer 1 000 masses solaires de matière par an. Les quasars sont connus pour s’allumer ou s’éteindre selon leur environnement. Une conséquence serait qu’un quasar ne pourrait, par exemple, continuer de se nourrir à ce rythme pendant 10 milliards d'années. Ce qui expliquerait pourquoi il n’y a aucun quasar près de nous. Lorsqu’un quasar a terminé d’avaler du gaz et de la poussière, il deviendrait une galaxie ordinaire.

Les quasars fournissent également des indices quant à la fin de la réionisation du Big Bang. Les plus vieux quasars (z > 4) montrent une onde Gunn-Peterson et des régions d’absorption devant eux, indiquant que le milieu intergalactique était fait de gaz neutre, à ce moment-là. Des quasars plus récents montrent qu’ils n’ont aucune région d’absorption mais plutôt des spectres contenant une zone avec un pic connu sous le nom de forêt Lyman-α. Cela indique que l’espace intergalactique a subi une réionisation dans le plasma, et que le gaz neutre existe seulement sous la forme de petits nuages.

Une autre caractéristique intéressante des quasars est qu’ils montrent des traces d’éléments plus lourds que l’hélium. Cela indique que ces galaxies ont subi une importante phase de formation d’étoiles créant une population III d'étoile, entre l’époque du Big Bang et l’observation des premiers quasars. La lumière de ces étoiles a pu être observée grâce au télescope spatial Spitzer de la NASA (quoique fin 2005, cette interprétation demande encore à être confirmée).

Les premiers quasars furent découverts avec des radiotélescopes vers la fin des années 1950. Beaucoup furent enregistrés comme des sources radio sans objet visible associé. En utilisant de petits télescopes et le télescope Lovell comme interféromètre, on a remarqué qu’ils avaient une très petite taille angulaire. Des centaines de ces objets ont été répertoriés dès 1960 et répertoriés dans le Third Cambridge Catalogue. En 1960, la source radio 3C 48 fut finalement reliée à un objet optique. Les astronomes détectèrent ce qui paraissait être une pâle étoile bleue à l’endroit des sources radios et obtinrent son spectre. Contenant énormément de raies d’émission inconnues — le spectre irrégulier défiait toute interprétation — la revendication de John Bolton parlant d’un grand décalage vers le rouge ne fut pas acceptée.

En 1962, une percée fut accomplie. Une autre source radio, 3C 273, allait subir cinq occultations par la Lune. Les mesures effectuées par Cyril Hazard et John Bolton durant l’une des occultations en utilisant le radiotélescope de Parkes permirent à Maarten Schmidt d’identifier l’objet du point de vue optique. Il obtint un spectre optique en utilisant le télescope Hale (5,08 m) du mont Palomar. Ce spectre révéla les mêmes raies d’émission étranges. Schmidt réalisa que c’étaient les raies de l’hydrogène redshiftées (décalées vers le rouge) de 15,8 % ! Cette découverte démontra que 3C 273 s’éloignait à la vitesse de 47 000 km/s. Cette découverte révolutionna l’observation des quasars et permit à d’autres astronomes de trouver des redshifts émanant des raies d'émission et venant d’autres sources radio. Comme Bolton l’avait prédit plus tôt, 3C 48 s’avéra avoir un décalage vers le rouge équivalent à 37 % de la vitesse de la lumière.

Le mot « quasar » fut inventé par l’astrophysicien Hong-Yee Chiu dans la revue Physics Today, pour désigner ces intrigants objets qui devenaient populaires peu après leur découverte, mais qui se désignaient alors par leur appellation complète (quasi-stellar radio source) :

« Pour l'instant, le mot plutôt maladroit et indéterminable de « quasi-stellar radio source » est utilisé pour décrire ces objets. Comme la nature de ces objets nous est complètement inconnue, il est difficile de leur donner une nomenclature courte et appropriée, même si leurs propriétés essentielles viennent de leur nom. Par esprit pratique, la forme abrégée « quasar » sera utilisée tout au long de cet article. »

— Hong-Yee Chiu, Physics Today, Mai 1964

Plus tard, on découvrit que certains quasars (en fait, seulement ~10 %) n’avaient pas de fortes émissions radio. De là, le nom de « QSO » (quasi-stellar object[25]) utilisé (en plus du mot « quasar ») en référence à ces objets[26]^{[source insuffisante],}[27]^{[source insuffisante]}, comprenant la classe des radio-fort et des radio-silencieux.

Le grand sujet de débat dans les années 1960 était de savoir si les quasars étaient des objets proches ou lointains comme le suppose leur redshift. On suggéra, par exemple, que le redshift des quasars n’était pas dû à l’effet Doppler, mais plutôt à la lumière s’échappant d’un puits gravitationnel profond. Cependant, une étoile avec une masse suffisante pour former un tel puits serait instable. Les quasars montrent également des raies spectrales inhabituelles, auparavant visibles sur une nébuleuse chaude de basse densité, qui serait trop diffuse pour générer l’énergie observée et pour accéder au profond puits gravitationnel. Il y eut également de sérieux soucis en ce qui concerne l’idée de quasars cosmologiques lointains. Un des principaux arguments en leur défaveur était qu’ils impliquaient des énergies qui excédaient les processus de conversion connus, y compris la fusion nucléaire. Ces objections se sont effacées avec la proposition d’un mécanisme de disque d’accrétion, dans les années 1970. Et aujourd’hui, la distance cosmologique des quasars est acceptée par la majorité des chercheurs.

En 1979, l’effet de lentille gravitationnelle prédit par la théorie de la relativité générale d’Einstein fut confirmée lors de l’observation des premières images du double quasar 0957+561.

Dans les années 1980, des modèles unifiés furent développés dans lesquels les quasars étaient vus simplement comme une classe de galaxies actives, et un consensus général a émergé : dans beaucoup de cas, c’est seulement l’angle de vue qui les distingue des autres classes, tels que les blazars et les radiogalaxies. L’immense luminosité des quasars serait le résultat d’une friction causée par le gaz et la poussière tombant dans le disque d’accrétion des trous noirs supermassifs, qui peut transformer en énergie de l’ordre de 10 % de la masse d’un objet (à comparer à 0,7 % pour l'énergie produite lors du processus p-p de fusion nucléaire qui domine la production d'énergie dans les étoiles comme le Soleil)[28].

Ce mécanisme explique aussi pourquoi les quasars étaient plus communs lorsque l’Univers était plus jeune, comme le fait que cette production d’énergie se termine lorsque le trou noir supermassif consume tous les gaz et toutes les poussières se trouvant près de lui. Cela implique la possibilité que la plupart des galaxies, dont notre Voie Lactée, soient passées par un stade actif (apparaissant comme étant des quasars ou une autre classe de galaxie actives dépendant de la masse du trou noir et de son disque d’accrétion) et soient maintenant paisibles car elles n’ont plus de quoi se nourrir (au centre de leur trou noir) pour engendrer des radiations.