17/03/2013

Mars 1963 : le Quasar Se Révèle

Il y a 50 ans, Maarten Schmidt et Bev Oke publiaient deux articles à la suite dans Nature (1,2) en annonçant la première mesure de redshift sur un objet de type Quasar, le dénommé 3C273. En plus de la valeur de sa distance (l'une des plus élevées à l'époque) révélée par son décalage vers le rouge, il était montré que ce quasar n'avait rien d'une étoile, mais était bien autre chose... 
Le terme "Quasi-Stellar", abrégé en Quasar devenait dès lors inaproprié. Mais le terme est resté au fil des décennies (on ne débaptise pas des types d'objets aussi facilement).

Cette mesure de distance révolutionna l'astrophysique de cette époque, elle recula brutalement l'horizon cosmique puisque 3C273 se trouvait (et se trouve toujours) à 2,4 milliards d'années-lumières de nous, avec un redshift de 0.158.

Quasar 3C273 et son jet (Chandra X-Ray laboratory)
Ce qui choqua la communauté des astrophysiciens de l'époque était sa si grande luminosité à une telle distance, qui implique une énergie rayonnée hors du commun.
C'est Fred Hoyle et William Fowler qui comprirent les premiers en 1963 qu'une telle émission d'énergie ne pouvait provenir que d'un effondrement gravitationnel d'un objet de plusieurs dizaines de millions de masses solaires.
Et en très peu d'années, de nouveaux quasars très lointains furent débusqués, certains montrant l'émission de jets de matière et de plasma, comme c'est le cas pour 3C273.

Une observation très étonnante fut d'ailleurs faite sur 3C273, lorsque la vitesse de son jet de matière fut mesurée plus rapide que la lumière (jusqu'à 10 fois plus vite!). Mais au début des années 1980, une explication simple fut donnée par Peter Scheuer, Roger Blandford et Martin Rees : il s'agit d'une illusion d'optique, le jet se déplaçant à une vitesse relativiste mais vu depuis la Terre avec un angle de vue très proche de l'axe du jet, et avec certains points du jet émettant avec des délais temporels sans cohérence...

Et il fallut attendre le début des années 1990 pour enfin comprendre une chose fondamentale qui est que différents types d'objets sont en fait les deux faces d'un même objet : les radio-galaxies et le quasars ne sont rien d'autre que des galaxies actives, alimentées par un trou noi supermassif. La différence venant simplement de l'orientation sous laquelle nous regardons ladite galaxie : vue par la tranche, nous voyons une galaxie émettant quantité de lumière en ondes radio (une radio galaxie); vue de face sous un angle très proche de l'axe d'émission du jet de matière et de rayonnement, nous voyons un quasar!...

Schéma d'une galaxie active (radio galaxie ou quasar selon l'angle de vue)
Cela a conduit les astrophysiciens à construire un modèle "standard" de l'évolution des galaxies, on parle aujourd'hui plus volontiers d'AGN (noyaux galactiques actifs), quasar et radiogalaxie ne reflétant que l'angle sous lequel on les voit.

Cela a également permis de construire petit à petit la relation existante entre les trous noirs supermassifs et leur galaxie hôte. La très forte émission des quasars et autre radio-galaxies est comprise par la phase de forte accrétion de matière qui était produite par le trou noir central.
Cette accrétion étant beaucoup plus importante dans les galaxies "jeunes" (donc à longue distance), les quasars observés sont ainsi tous très lointains. Nous ne trouvons pas de quasars très proches de nous. Ce qu'il nous reste dans les galaxies proches (y compris la nôtre), ce sont des trous noirs supermassifs à court de carburant, ayant fait le ménage autour d'eux au centre de leur galaxie.

Mais comprend-on vraiment ce qu'est un quasar ? Il semblerait que non. De nombreuses observations restent inexplicables par les modèles théoriques en vigueur. D'autres modèles sont proposés mais ne répondent pas efficacement aux différents cas rencontrés observationnellement.

Certaines critiques (3) déplorent le manque de réflexion de la communauté pour comprendre en profondeur le phénomène quasar, interaction des trous noirs supermassifs avec production de jets et de lobes de rayonnement. On ne sait par exemple toujours pas si ces jets comportent des protons et des électrons ou bien des électrons et des positrons, ou quelle est la part d'énergie emportée par les protons, est-elle énorme, faible ? Quelle est la proportion d'énergie dans les jets de matière impliquant des champs électriques et des champs magnétiques ?
Le phénomène d'émission des trous noirs supermassifs révélé par les quasars ne peut aujourd'hui qu'être abordé de façon délicate tant que ces questions fondamentales n'ont pas trouvé de réponses.

Après 50 ans de connaissances accumulées sur les quasars, un océan de savoir reste à traverser...

références :
(1) M. Schmidt et al., Nature 197, 1040 (1963).
(2) B.Oke et al., Nature 197, 1040–1041 (1963)
(3) Quasars still defy explanation   R. Antonucci,   Nature, 495,165, (14 march 2013)