Galaxies et quasars. Observer et imaginer, la tête dans les étoiles

Yannick Letawe

Yannick Letawe enseigne la physique à la Haute Ecole P.-H. Spaak et à l’Université Libre de Bruxelles. Il est l’auteur d’une thèse de doctorat sur l’étude des galaxies hôtes de quasar (Université de Liège, 2009, [1]). Il nous introduit dans ce domaine d’étude passionnant.

Jean-Michel Dufays : Qu’entend-t-on exactement par « galaxie hôte de quasar »?

Yannick Letawe : Il est admis à l’heure actuelle que les galaxies, quelle que soit leur morphologie, possèdent en leur centre un trou noir super-massif (c’est-à-dire, possédant une masse comprise entre environ un million et un milliard de fois la masse du Soleil). Puisque, par définition, aucun rayonnement ne peut s’échapper d’un trou noir, celui-ci n’est jamais directement observable. On peut toutefois déduire sa présence des effets qu’il provoque sur son entourage. Dans les galaxies classiques, le mouvement des étoiles autour du centre de la galaxie dû à l’attraction gravitationnelle permet de déduire la position et la masse du trou noir central. Ainsi, par exemple, le trou noir supermassif situé au coeur de la Voie Lactée a une masse d’environ 3 millions de fois la masse solaire.

Observation d’une galaxie spirale traditionnelle avec le Hubble Space Telescope (HST). Crédits : NASA,ESA.

Il est évident que les effets d’un trou noir sur son environnement vont dépendre directement de la composition de celui-ci. Si, pour une raison quelconque, une grande quantité de gaz se trouve en rotation autour du trou noir, au lieu de se faire directement avaler par le trou noir, les particules de ce gaz vont épouser une trajectoire spirale et former ainsi un disque appelé disque d’accrétion. En se rapprochant du trou noir, la température, la pression et la friction entre ces particules augmentent de sorte qu’un quantité considérable d’énergie est émise (le processus d’accrétion est entre 10 et 100 fois plus efficace que les processus de fusion thermonucléaires au sein des étoiles).

Lorsqu’une telle émission est observée depuis le centre d’une galaxie, on parle d’un Noyau Actif de Galaxie (AGN). Les quasars, qui nous intéressent aujourd’hui, sont les AGNs les plus puissants de l’Univers. Ils peuvent ainsi avoir une luminosité oscillant entre 10¹¹ et 10¹⁴ fois la luminosité du Soleil, et ce, en occupant une région de l’espace « seulement » 10⁶ fois plus grande que le Soleil.

Observation d’un quasar avec le HST. On remarque que le centre de la galaxie, beaucoup plus lumineux, empêche de voir la galaxie qui l’entoure. Crédits : NASA, ESA.

Ce qu’on appelle les « galaxies hôtes de quasars », ce sont donc les galaxies au sein desquelles on trouve un quasar qui, pour des raisons encore assez mystérieuses, s’est enclenché.

J.-M. D. : Quels sont les outils qui permettent d’étudier ces astres?

Y. L. : Pour bien comprendre les difficultés inhérentes à l’observation des quasars et de leur galaxie hôte, replaçons-nous dans le contexte de leur découverte. Après la seconde guerre mondiale, les astronomes ont profité des récents progrès technologiques pour améliorer considérablement notre connaissance des astres découverts jusqu’alors (principalement les planètes du système solaire, des étoiles de notre galaxie et quelques galaxies proches). Ainsi, en 1963, la célèbre revue « Nature » annonce la découverte de deux objets mystérieux: leur forme ressemble à s’y méprendre à une étoile, mais ils semblent dégager de l’énergie sur une gamme d’ondes électromagnétiques beaucoup plus vaste que les étoiles traditionnelles… Cette étrangeté leur a valu le nom de « Quasi Stellar Object », ou encore, quasar.

Des études plus approfondies révéleront peu de temps après que ces objets sont beaucoup plus éloignés que les étoiles observables. Et puisqu’ils nous paraissent aussi larges que des étoiles, ils doivent être d’autant plus grands et puissants qu’ils sont éloignés de nous, en accord avec la description des quasars faite dans la réponse précédente. Leur ressemblance avec les étoiles proches, et leur luminosité énorme par rapport à celle de leur galaxie hôte entraînent un problème observationnel considérable : observée depuis la Terre, la lumière provenant du quasar nous empêche d’observer la lumière provenant de la galaxie elle-même. Par comparaison, lorsqu’on regarde droit vers le Soleil, notre vue ne nous permet pas de distinguer les objets proches de lui (petits nuages, oiseaux,…).

La séparation de la lumière du quasar de celle de sa galaxie hôte est un défi qui a été relevé par le groupe d’Astrophysique et Traitement de l’Image de l’Université de Liège. L’algorithme permettant cette séparation est basé sur ce qu’on appelle la déconvolution. L’idée est d’observer (quasi) simultanément une étoile et un quasar, et d’utiliser la ressemblance entre les deux pour isoler la lumière provenant du quasar dans une région plus restreinte de l’image. Ainsi, on améliore la résolution de l’image. J’ai personnellement étudié deux échantillons de quasars : le premier avec le HST, et le second, plus conséquent, à l’observatoire de La Silla, dans le désert d’Atacama, au Chili.

Un exemple de traitement de l’image effectué pour un quasar observé au Chili est donné dans l’illustration suivante.

A gauche, l’observation brute d’un quasar avec sa galaxie hôte : la lumière provenant du quasar empêche de distinguer les contours de la galaxie. A droite : après traitement, la lumière du quasar est rassemblée dans le point central, la galaxie hôte est alors visible, c’est une spirale.

On constate qu’avant traitement, le noyau actif nous empêche d’apercevoir clairement les contours, la morphologie, la taille de la galaxie hôte. Après traitement, on distingue clairement à quel type de galaxie on a à faire. En étudiant des échantillons de quasars les plus larges possibles, on peut espérer distinguer des tendances, des liens entre différents paramètres du système étudié. Ces paramètres sont, par exemple, la couleur de la galaxie, sa morphologie, sa luminosité, la luminosité du quasar,…

J.-M. D. : Pourrais-tu citer quelques caractéristiques des galaxies que tu as pu mettre en évidence dans ta thèse ?

Y. L. : Les principaux résultats de mon étude ([2] et [3]) sont plutôt en accord avec les théories actuelles sur l’évolution des galaxies, bien que celles-ci soient encore très empiriques, et que chaque nouveau cas observé puisse encore comporter son lot d’interrogations et de surprises.

Je me limiterai à deux résultats qui me paraissent révélateurs des interactions entre le quasar et sa galaxie hôte.

Tout d’abord, la proportion des galaxies arborant des traces d’interactions gravitationnelles (cela se remarque en général par l’asymétrie apparente de la galaxie) est assez élevée, comparée aux galaxies inactives. Ceci suggère que le phénomène de quasar puisse être favorisé, voire créé, lors de collisions entre galaxies. On peut en effet facilement imaginer que lors de telles collisions, la matière interstellaire soit acheminée vers le trou noir super-massif, permettant ainsi la formation du disque d’accrétion. Toutefois, rien n’est figé à l’heure actuelle et de récentes études proposent un autre scénario : l’allumage d’un quasar ne dépendrait que de mécanismes internes à la galaxie, et ne dépendrait donc en rien des récentes collisions/fusions intergalactiques subies. Ces éventuels mécanismes sont encore très peu connus et investigués, et le sujet reste donc très ouvert…

Quelques exemples du premier échantillon de quasar observé avec le HST en 1996. La précision du télescope permet pour la première fois d’apercevoir toute la complexité et la variété des galaxies hôtes de quasar. Crédits : NASA, ESA.

Ensuite, on constate que les galaxies hôtes comportent en moyenne plus de gaz ionisé que les galaxies inactives, et ce jusqu’à des régions très éloignées du quasar. Cette observation met en lumière l’interaction entre le quasar et sa galaxie hôte. Le rayonnement issu du quasar peut en quelque sorte échauffer le gaz de la galaxie hôte dans son ensemble, ce qui peut enclencher par exemple la création de nouvelles générations d’étoiles. Ce phénomène est surtout marqué pour les galaxies elliptiques.

Dans le schéma classique de l’évolution des galaxies, les elliptiques (par opposition aux spirales) sont composées de vieilles étoiles, et leur morphologie semble résulter d’une évolution lente vers l’homogénéité de la répartition des étoiles autour du centre. Cependant, lorsqu’une elliptique possède un quasar, on constate comme un regain de vitalité, se traduisant par une nouvelle vague de création d’étoiles et la présence de gaz ionisé. De plus, certaines elliptiques semblent posséder un quasar décalé par rapport au centre de la galaxie… Ce phénomène laisse actuellement les théoriciens pensifs : comment un trou noir peut-il se décaler du centre de sa galaxie? Pourrait-il y avoir une éjection d’un des trous noirs présents lors d’une fusion entre deux ou plusieurs galaxies? Un quasar pourrait-il être en rotation autour du centre de la galaxie? Se pourrait-il que le phénomène de quasar soit la cause même de la formation primordiale d’étoiles dans une galaxie? A ce stade, les paris sont encore ouverts… On a même découvert des systèmes avec deux quasars dans la même galaxie, ou encore des quasars dont la galaxie est quasi invisible!

J.-M. D. : Quel est l’apport de l’étude des quasars pour notre compréhension de l’Univers?

Y. L. : Premièrement, d’un point de vue historique, la découverte des quasars a profondément bouleversé notre vision de l’Univers, en repoussant les frontières de l’Univers connu et observable. Grâce à leur gigantesque luminosité, nous pouvons les observer jusqu’à des distances cosmologiques. Et comme, en astrophysique, voir loin, c’est voir dans le passé, les quasars nous servent de sonde pour investiguer l’histoire et l’évolution de l’Univers. Les quasars les plus lointains observés se trouvent à plus de 11 millards d’années lumière de la Terre! Cela signifie qu’ils sont un reliquat unique de l’Univers tel qu’il était il y a 11 milliards d’années, soit un peu plus de 3 milliards d’années après le Big-Bang.

Ensuite, les quasars semblent jouer un rôle central dans la répartition de la matière dans l’Univers. En effet, ils sont capables d’enrichir le milieu intergalactique via l’éjection de matière provenant des régions centrales (principalement des électrons ou autres particules subatomiques). A l’heure actuelle, plus de 60% des galaxies posséderaient de la matière issue de ces éjections! Aussi, elles participent à fournir la matière première pour la naissance de futures galaxies.

Comme on peut s’en rendre compte dans mon propos, ce domaine de recherche est encore en pleine expansion. Cela ne fait que 50 ans qu’on a découvert le premier quasar, et les galaxies hôtes ne sont réellement observables que depuis les années 80-90. Même si la structure des noyaux actifs semble établie par la communauté scientifique, et que leur importance dans l’évolution de l’Univers a été maintes fois éprouvée, la cause de leur existence, les liens qui les unissent à leur galaxie hôte, et leur évolution au cours du temps sont encore trop méconnus, notamment à cause de la difficulté à les observer.

C’est en tout cas un sujet passionnant que je ne manque pas d’évoquer avec mes étudiants dès que l’occasion se présente, car il montre à quel point l’observation et l’imagination sont des armes plus que jamais d’actualité pour percer les mystères de l’Univers.


Références:

[1] Letawe Y., thèse de doctorat, « Caractérisation des interactions entre les quasars et leur galaxie hôte » http://bictel.ulg.ac.be/ETD-db/collection/available/ULgetd-11302009-162141/

[2] Letawe Y. et al., 2008, Astrophysical Journal, n°679, p967-983, Understanding the relations between QSOs and their host galaxies from combined HST imaging and VLT spectroscopy. http://arxiv.org/abs/0802.1386

[3] Letawe Y. et al., 2010, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, n°403, p2088–2104, Study of a homogeneous QSO sample: relations between the QSO and its host galaxy, http://mnras.oxfordjournals.org/content/403/4/2088.full.pdf+html

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