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Université

Mis en ligne le 15/09/2005

L'Université de Liège et l'espace : Quasar cherche galaxie hôte ! Une découverte qui intrigue les astrophysiciens.

Publication dans la revue Nature du 15 septembre.

S’il s’avère que la majorité des quasars se trouvent bien, comme le pensent la plupart des astronomes, au centre de galaxies massives, deux astrophysiciens de l’Université de Liège, Pierre Magain et Géraldine Letawe, viennent de découvrir une exception à la règle : HE0450-2958 (c’est son nom…) défie toutes les théories ! Ils publient les résultats de leurs observations surprenantes sur cet étrange quasar dans la revue Nature qui est paru ce 15 septembre (*).
D’où viennent les quasars ?
Lorsque l’astronome se lance dans l’exploration de l’Univers, il découvre une multitude d’astres de toutes natures et de toutes dimensions. Il rencontre les planètes et les comètes qui, comme notre Terre, tournent autour du Soleil. Notre Soleil qui n’est lui-même qu’une étoile assez commune parmi les quelque cent milliards d’étoiles de notre galaxie, la Voie Lactée. Et notre galaxie qui n’est, elle aussi, qu’une galaxie, assez banale parmi les innombrables milliards de galaxies éparpillées dans l’Univers.
Tous ces astres émettent ou réfléchissent la lumière, ce qui permet aux astronomes de les observer, de les étudier et donc de les connaître relativement bien. Mais il existe aussi de la matière invisible, beaucoup plus mystérieuse. En étudiant les mouvements des étoiles, on constate que la plupart des galaxies, et en tout cas les plus massives d’entre elles, contiennent aussi de la matière sombre, qui constitue souvent plus de 90% de leur masse. Nul ne connaît encore la nature de cette énigmatique matière sombre qui semble répartie dans un volume excédant celui occupé par les étoiles.
De plus, au centre de ces galaxies massives, se cachent d’autres objets, tout aussi sombres et énigmatiques : des trous noirs super massifs. Dans ces trous noirs, la matière est condensée à un point tel que même les théories physiques les plus avancées ne peuvent la décrire. Ces objets attirent tout ce qui les entoure avec une puissance telle que rien ne peut s’en échapper, même pas la lumière. D’où leur nom de trous noirs.
Les plus gigantesques de ces trous noirs ont une masse dépassant un milliard de fois celle du Soleil – trois cent mille milliards de fois celle de la Terre. Ces trous noirs super massifs se cachent au centre des galaxies les plus grandes. Lorsqu’il y a suffisamment de matière à proximité, cette matière est inexorablement attirée vers le centre. Elle se concentre sous forme d’un disque qui tourne autour du trou noir et s’échauffe de plus en plus avant d’être avalée par le monstre invisible.
En s’échauffant, cette matière qui s’effondre vers le trou noir émet une quantité considérable de radiations électromagnétiques, qui vont des ondes radio aux rayons X en passant par l’infrarouge, la lumière visible et les radiations ultraviolettes. Cette émission d’énergie est parfois si intense qu’elle dépasse celle de toutes les étoiles de la galaxie réunies – et elles sont plusieurs centaines de milliards ! La région située autour du trou noir, dans le centre de la galaxie, devient alors un quasar, le type d’astre le plus énergétique de tout l’Univers, et l’un des plus mystérieux.

Un quasar pas comme les autres..

Les quasars sont tellement lumineux qu’ils rendent extrêmement difficile l’observation de la galaxie qui les entoure – leur galaxie hôte, comme l’appellent les astronomes. En effet, la plupart des instruments sont, en quelque sorte, éblouis par la lumière du quasar et ne parviennent que difficilement à distinguer celle des étoiles de la galaxie qui l’entoure. Pour cette raison, non seulement les instruments les plus performants sont-ils nécessaires, mais aussi les méthodes numériques les plus sophistiquées pour analyser les résultats.
Les astronomes de l’ULg, Pierre Magain et Géraldine Letawe, en collaboration avec des collègues français, allemands et suisses, ont utilisé le Télescope Spatial Hubble pour obtenir des images d’un échantillon de quasars lumineux. Ils ont également employé le très grand télescope VLT de l’ESO pour en obtenir des spectres (décomposition de la lumière en ses différentes composantes, qui permet d’analyser les caractéristiques physiques et chimiques de la source lumineuse).
Grâce à une méthode numérique performante qu’ils ont mise au point, ils ont pu séparer la lumière de la galaxie de celle du quasar central et ainsi, étudier les propriétés de ces objets avec une précision encore jamais atteinte.
S’il s’avère que la majorité des quasars se trouvent bien, comme le pensent la plupart des astronomes, au centre de galaxies massives, les astrophysiciens liégeois ont eu l’immense surprise de découvrir un quasar très lumineux qui fait exception à la règle.
Ce quasar, qui répond au nom délicieusement poétique de HE0450-2958, se trouve à plusieurs milliers d’années-lumière du centre de la galaxie la plus proche, c’est-à-dire complètement à l’extérieur de celle-ci. Et cette galaxie voisine montre tous les signes d’une violente perturbation, comme il s’en produit lors de collisions entre galaxies. Mais aucune autre galaxie, avec laquelle elle pourrait être entrée en collision, n’est visible dans les environs. Seul le quasar trône, solitaire, à côté de cette galaxie perturbée.
Mais comment un trou noir solitaire peut-il devenir un quasar ? Les astrophysiciens liégeois ont découvert, juste à côté du trou noir, un gigantesque nuage de gaz échauffé par la radiation du quasar. Ce nuage a la taille d’une petite galaxie, mais son spectre ne révèle pas, contrairement à toute galaxie qui se respecte, la présence d’étoiles. C’est en se nourrissant de gaz arraché à ce nuage que le trou noir s’est transformé en quasar.
Les scientifiques se perdent en conjectures sur le mécanisme qui a pu donner naissance à un tel objet. Un processus mystérieux pourrait-il avoir éjecté le trou noir, ainsi qu’une certaine quantité de gaz, du centre de la galaxie ? Cela paraît peu probable. Existerait-il de gigantesques trous noirs solitaires qui se baladent dans l’Univers ? Et, quand ces trous noirs traversent une galaxie, seraient-ils capables de lui arracher suffisamment de matière pour se transformer en quasars ?
Ou alors, existe-t-il des galaxies sombres, qui ne contiennent pas d’étoiles mais seulement de la matière obscure et un gigantesque trou noir central ? L’une de ces galaxies obscures, entrée en collision avec une galaxie normale, aurait pu lui arracher du gaz et son trou noir central se serait alors transformé en quasar.
Quoi qu’il en soit, la découverte de cet objet insolite, qui a toutes les apparences d’un quasar qui vient de naître, pourrait remettre en cause la relation couramment admise entre les galaxies massives et leurs trous noirs centraux. Elle ouvre de nouvelles perspectives sur la compréhension des objets mystérieux qui peuplent l’Univers et sur les mécanismes qui conduisent à la formation des galaxies, des trous noirs super massifs et sur le lien qui les unit. C’est toute la question de la naissance des premières structures dans l’Univers – et donc de nos très lointaines origines – qui se retrouve posée.
(*) « Discovery of a bright quasar without massive host galaxy », Nature, 15/9/2005.















Images de deux quasars "normaux", au centre de leur galaxie hôte, obtenues par le Télescope Spatial Hubble. La galaxie de gauche est une spirale avec des bras proéminents, celle de droite également une spirale, mais plus compacte (©NASA/ESA/HST F. Courbin, P. Magain)

















Image du quasar HE0450-2958 obtenue par le Télescope Spatial Hubble. A gauche, l'image originale. A droite, l'image obtenue après un traitement numérique pour en corriger les défauts dus à l'optique du télescope. De haut en bas : la galaxie perturbée par la collision, le quasar, le nuage de gaz et une étoile de notre propre galaxie, qui se trouve par hasard sur la ligne de visée. Le nuage de gaz qui permet de "nourrir" le trou noir et de donner naissance au quasar n'est visible qu'après traitement numérique (©NASA/ESA/HST F. Courbin, P. Magain).