Découverte du Quasar

Une équipe d'astronomes européens a utilisé le VLT, le très grand télescope de l'ESO, et une foule d'autres télescopes, pour découvrir et étudier le quasar le plus lointain trouvé jusqu'à présent. Ce phare brillant, alimenté par un trou noir d'une masse atteignant deux milliards de fois celle du Soleil, est de loin l'objet le plus brillant découvert jusqu'à présent dans l'Univers jeune. Ces résultats seront publiés dans l'édition de la revue Nature du 30 juin 2011.

"Ce quasar est capital pour sonder l'Univers jeune. C'est un objet très rare qui devrait nous aider à comprendre comment les trous noirs supermassifs se sont formés quelques centaines de millions d'années après le Big Bang, " déclare Stephen Warren, le responsable de l'équipe qui a mené cette étude.

Les quasars sont de très brillantes et lointaines galaxies dont l'énergie est supposée provenir de trous noirs supermassifs situés en leurs centres. Leur éclat en fait de puissantes balises qui devraient aider les astronomes à sonder l'époque où les premières étoiles et galaxies étaient en train de se former. Le quasar récemment découvert est tellement loin de nous que sa lumière permet de sonder la dernière partie de la période dite de la réionisation (1).

Ce quasar, appelé ULAS J1120+0641 (2), est observé tel qu'il était seulement 770 millions d'années après le Big Bang (redshift 7.1 (3)). Il faut 12,9 milliards d'années à sa lumière pour nous atteindre.

Bien que des objets plus distants aient été confirmés (tel qu'un sursaut gamma avec un redshift de 8,2, eso0917, et une galaxie avec un redshift de 8,6, eso1041), le quasar tout juste découvert est des centaines de fois plus brillant qu'eux. Parmi les objets suffisamment brillants pour être étudiés en détail, c'est de loin le plus lointain.

Le second quasar le plus éloigné est observé tel qu'il était 870 millions d'années après le Big Bang (redshift 6,4). Des objets semblables plus lointains ne peuvent pas être trouvés avec des sondages en lumière visible, car leur lumière, dont la longueur d'onde est étirée par l'expansion de l'Univers, se trouve principalement dans la partie infrarouge du spectre lorsqu'elle arrive sur Terre. Le sondage européen du ciel profond dans l'infrarouge UKIRT (UKIDSS pour UKIRT Infrared Deep Sky Survey) qui utilise le télescope infrarouge du Royaume-Uni spécialisé dans ce domaine (4) à Hawaï a été conçu pour résoudre ce problème. L'équipe d'astronomes a cherché parmi les millions d'objets de la base de données UKIDSS pour trouver ceux qui pourraient être les quasars lointains si longtemps recherchés et éventuellement trouver le filon.

"Il nous a fallu cinq ans pour trouver cet objet, " explique Bram Venemans, un des auteurs de cette étude. " Nous cherchions un quasar avec un redshift supérieur à 6.5. En trouver un qui était aussi lointain, avec un redshift supérieur à 7, a été une merveilleuse surprise. En scrutant profondément dans la période de la réionisation, ce quasar nous offre une occasion unique d'explorer une fenêtre de 100 millions d'années dans l'histoire cosmique qui était auparavant hors d'atteinte ".

La distance du quasar par rapport à la Terre a été déterminée à partir d'observations effectuées avec l'instrument FORS2, sur le VLT de l'ESO et des instruments sur le Télescope Gemini North (5). Etant donné que cet objet est relativement brillant, il a été possible d'en obtenir le spectre (ce qui implique de décomposer la lumière de l'objet dans ses différentes couleurs). Cette technique a permis aux astronomes d'en apprendre beaucoup sur ce quasar.

Ces observations ont montré que la masse du trou noir situé au centre de ULAS J1120+0641 est environ deux milliards de fois celle du Soleil. Cette masse très importante est difficile à expliquer si peu de temps après le Big Bang. Les théories en vigueur sur la croissance des trous noirs supermassifs prédisent une lente accumulation de masse alors que l'objet compact attire de la matière environnante.

"Nous pensons qu'il y a seulement une centaine de quasars brillants avec un redshift supérieur à 7 dans tout le ciel, " conclut Daniel Mortlock, le premier auteur de l'article scientifique. "  Une recherche minutieuse a été nécessaire pour trouver cet objet, mais être capable de dévoiler quelques mystères de l'Univers jeune valait bien un tel effort. "

Notes

(1) Environ 300 000 années après le Big Bang, qui a eu lieu il y a 13,7 milliards d'années, l'Univers s'est suffisamment refroidi pour permettre aux électrons et aux protons de se combiner pour donner de l'hydrogène neutre (un gaz sans charge électrique). Ce gaz froid et sombre baigna l'Univers jusqu'à ce que les premières étoiles commencent à se former, environ 100 à 150 millions d'années après. Leur intense rayonnement ultraviolet redissocia petit à petit les atomes d'hydrogène en protons et en électrons, un processus appelé la réionisation, rendant l'Univers plus transparent à la lumière ultraviolette. On pense que cette période a eu lieu entre 150 millions et 800 millions d'années après le Big Bang.

(2) Cet objet a été découvert en utilisant les données du Sondage " UKIDSS Large Area Survey " ou ULAS. Les nombres et le préfixe " J " font référence à la position du quasar dans le ciel.

(3) Parce que la lumière voyage à une vitesse finie, les astronomes regardent dans le passé quand ils regardent loin dans l'Univers. Il a fallu 12,9 milliards d'années à la lumière de ULAS J1120+0641 pour voyager jusqu'aux télescopes terrestres. Le quasar est donc vu tel qu'il était quand l'Univers était âgé de seulement 770 millions d'années. Au cours de ces 12,9 milliards d'années, l'Univers s'est étendu et par conséquent la lumière des objets s'est étirée. Le redshift cosmologique, ou simplement redshift, est une mesure de l'étirement total subi par l'Univers entre le moment où la lumière est émise et le moment où elle est reçue.

(4) UKIRT est le télescope infrarouge du Royaume-Uni. Le UK's Science and Technology Facilities Council en est le propriétaire et il est géré par le personnel du Joint Astronomy Centre à Hilo, à Hawaï.

(5) FORS2 est le réducteur focal et spectrographe à faible dispersion du VLT. Les autres instruments utilisés pour décomposer la lumière de cet objet étaient le Gemini Multi-Object Spectrograph (GMOS) et le Gemini Near-Infrared Spectrograph (GNIRS). Le Télescope Liverpool, le Télescope Isaac Newton et le UK Infrared Telescope (UKIRT) ont également été utilisés pour confirmer les mesures du sondage.

Activation d'un trou noir ...

Une nouvelle étude rassemblant des données du Very Large Telescope de l'ESO et de l'observatoire spatial en rayons X, XMM-Newton de l'ESA, a révélé une grosse surprise. La plupart des énormes trous noirs au centre des galaxies durant ces 11 derniers milliards d'années n'ont pas été déclenchés par les fusions de galaxies, comme cela était généralement admis jusqu'ici.

Au coeur de la plupart - si ce n'est de toutes - les grandes galaxies se cache un trou noir super massif avec une masse de millions, ou parfois de milliards, de fois supérieure à celle du Soleil. Dans de nombreuses galaxies, dont notre propre Voie Lactée, le trou noir central est calme. Mais dans certaines galaxies, et en particulier au début de l'histoire de l'Univers (1), le  monstre central festoie sur de la matière qui émet alors un rayonnement intense au moment où elle s'effondre dans le trou noir.

Savoir d'où provient la matière qui active un trou noir endormi et déclenche des explosions si violentes au centre de la galaxie, de sorte qu'il devient alors un noyau actif de galaxie, reste un mystère non résolu. Jusqu'à présent, de nombreux astronomes pensaient que la plupart de ces noyaux actifs se déclenchaient quand deux galaxies fusionnaient ou lorsqu'elles passaient à proximité l'une de l'autre et que la matière perturbée par la rencontre devenait du carburant pour le trou noir central. Toutefois, de nouveaux résultats indiquent que cette idée est sans doute erronée pour de nombreuses galaxies actives.

Viola Allevato (de l'institut Max-Planck für Plasmaphysik, Excellence Cluster Universe, Garching, en Allemagne) et une équipe internationale de scientifiques de la collaboration COSMOS (2) ont observé en détail plus de 600 de ces galaxies actives dans une région particulièrement bien étudiée du ciel appelée le champ COSMOS (3). Comme prévu, les astronomes ont trouvé que les noyaux actifs extrêmement brillants étaient rares, tandis que la majeure partie des galaxies actives dans les 11 derniers milliards d'années apparaissait seulement modérément lumineuse. Mais il y eut une grosse surprise: les nouvelles données montrent que la grande majorité de ces galaxies actives plus communes et moins brillantes n'ont pas été déclenchées par des fusions de galaxies (4). Les résultats seront publiés dans The Astrophysical Journal.

La présence de noyaux actifs de galaxie est révélée par l'émission en rayon X émise par le proche alentour du trou noir et captée depuis l'observatoire spatial XMM-Newton de l'ESA. Ces galaxies ont ensuite été observées en utilisant le VLT de l'ESO, qui a pu mesurer les distances des galaxies (5).  Une fois combinées, ces observations ont permis à l'équipe de faire une carte en trois dimensions qui montre la position des galaxies actives.

"Il a fallu plus de cinq ans, mais nous avons été capables de fournir l'un des inventaires les plus grands et complets de galaxies actives du ciel en rayons X ", a déclaré Marcella Brusa, l'une des auteurs de l'étude.

Les astronomes ont pu utiliser cette nouvelle carte pour savoir comment les galaxies actives sont réparties et comparer cela aux prédictions de la théorie. Ils ont pu également voir comment la répartition a changé au fil de l'âge de l'Univers - tout au long du temps, depuis environ 11 milliards d'années jusqu'à pratiquement les temps présents.

L'équipe a constaté que les noyaux actifs se trouvent principalement dans les grandes galaxies massives, avec beaucoup de matière noire (6).  C'est une surprise, car cela n'est pas conforme à la prédiction de la théorie : si les noyaux les plus actifs étaient la conséquence de fusions et de collisions de galaxies, alors il était prévu qu'on les trouve dans les galaxies de masse modérée (environ mille milliards de fois la masse du Soleil). L'équipe a constaté que la plupart des noyaux actifs se trouvent plutôt dans des galaxies avec des masses environ 20 fois plus grandes que celles prédites par la théorie de fusion des galaxies.

"Ces nouveaux résultats nous donnent un nouvel aperçu de la manière dont les trous noirs super massifs commencent leur repas", a déclaré Viola Allevato, auteur principal de ce nouvel article. "Ils indiquent que les trous noirs sont généralement alimentés par des processus au sein de la galaxie elle-même, tels que les instabilités de disque et les régions à flambées d'étoiles, par opposition à des collisions de galaxies."

Alexis Finoguenov, qui a supervisé ces travaux, conclut: "Même dans le lointain passé, jusqu'à près de 11 milliards d'années, les collisions de galaxies ne peuvent être responsables que d'un petit pourcentage des galaxies actives modérément brillantes. A cette époque, les galaxies étaient plus proches les unes des autres, les fusions devaient être plus fréquentes que dans un passé plus récent, les nouveaux résultats sont donc d'autant plus surprenants."

Notes

(1) Les galaxies actives les plus brillantes étaient des plus courantes dans l'Univers environ trois à quatre milliards d'années après le Big Bang, et les moins brillantes l'étaient un peu plus tard, avec un maximum à environ huit milliards d'années après le Big Bang.

(2) La nouvelle étude est basée sur deux grands programmes astronomiques européens: le relevé du champ COSMOS par XMM-Newton, dirigé par le professeur Günther Hasinger et le relevé zCOSMOS de l'ESO dirigé par le professeur Simon Lilly. Ces programmes font partie de l'initiative COSMOS, une contribution internationale pour observer une parcelle du ciel à l'aide du télescope spatial NASA / ESA Hubble, du télescope XMM-Newton de l'ESA, des télescopes spatiaux de la NASA Chandra en rayons X et Spitzer dans l'infrarouge, en plus des observations du VLT de l'ESO et d'autres observatoires au sol.

(3) Le champ COSMOS est une région d'environ dix fois la surface de la pleine lune, dans la constellation du Sextant. Elle a été cartographiée par une multitude de télescopes à différentes longueurs d'onde de telle sorte que toute une série d'études et de recherches puissent bénéficier de cette richesse de données.

(4) Les travaux publiés l'an dernier par le télescope spatial NASA / ESA Hubble avaient montré qu'il n'y avait aucun lien solide entre les noyaux actifs des galaxies et les fusions de galaxies dans un échantillon de galaxies relativement proches. Cette étude avait regardé environ huit milliards d'années dans le passé, mais ces nouveaux travaux étendent cette conclusion à 3 milliards d'années plus tôt, à une époque où les galaxies étaient encore plus rapprochées les unes des autres.

(5) L'équipe a utilisé un spectrographe sur le VLT pour diviser la faible luminosité émise par les galaxies en ses différentes composantes de couleurs. Une analyse minutieuse leur a permis ensuite de déterminer le décalage spectral vers le rouge (redshift): dans quelle proportion la lumière a été étirée par l'expansion de l'Univers depuis qu'elle a quitté ces galaxies lointaines, et par conséquent  quelle est la  distance de ces galaxies. Comme la lumière voyage à une vitesse donnée, cela nous indique également la période du passé à laquelle nous voyons ces objets lointains.

(6) La matière noire est une substance mystérieuse qui forme une composante invisible de la plupart, si ce n'est de toutes les galaxies (actives ou pas) - y compris notre propre Voie Lactée. Les auteurs ont estimé la quantité de matière noire dans la masse de chaque galaxie - ce qui donne sa masse totale - à partir de la répartition des galaxies tirée de cette nouvelle étude.

Abell 2744

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Cet amas galactique, nomenclaturé comme Abell 2744, a été surnommé l'Amas de Pandore par les scientifiques étonnés par la grande variété de structures qu'il présente.
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La scène se situe à 3,5 milliards d'années lumière de nous, dans la constellation australe du Sculpteur. L'image couvre un champ d'environ 6 millions d'années lumière de largeur.
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Avant d'entrer dans les explications, voici le code des couleurs. Les jaune et blanc correspondent aux données optiques recueillies par le télescope spatial Hubble et par le VLT de l'ESO sur Terre ; les rouge aux gaz chauds de plusieurs millions de degrés enregistrés en rayons X par le télescope spatial Chandra de la NASA ; les bleu aux données calculées à partir des enregistrements de Hubble, du VLT et du Subaru de la JAXA sur Terre, visualisant la répartition et la densité de la matière noire.
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Une étude à paraître dans les annales mensuelles de la Royal Astronomical Society, dirigée par Julian Merten (Université de Heidelberg, Allemagne) présente Abell 2744 comme une région particulièrement complexe de l'espace où entrent en collision au moins quatre amas galactiques différents !
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Le cœur de l'amas (core) montre une structure en forme de trace de balle émettant des gaz chauds (de forts rayonnements X) ainsi qu'une frontière marquée entre gaz chauds et matière noire. Cette nette séparation s'explique par les frottements de la matière intergalactique qui ralentissent son cheminement. Ces frottements n'ont aucune incidence par définition sur la matière noire qui poursuit sa course dans l'espace. Les cercles sur l'image annotée indiquent des pics locaux particulièrement importants de gaz chauds en rouge ou de matière noire en bleu.

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Cette séparation est encore plus grande dans le nord-ouest (NW) de l'amas. La distance entre gaz chauds et matière noire atteint les 500 000 années lumière, les scientifiques envisagent un phénomène de fronde gravitationnelle entre gaz chaud et matière noire pour en donner une tentative d'explication. De même la séparation entre matière baryonique et noire est très visible à l'ouest (W) et au Nord (N).
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La matière visible (les galaxies) ne compte que pour 5% de l'ensemble de l'amas. Les rayons X permettent d'en visualiser 20% sous forme de gaz chauds. Les 75% restants sont donc de la matière noire (composée de matière complètement inconnue), par définition indétectable directement. Mais elle peut être décelée par l'attraction gravitationnelle qu'elle exerce sur son environnement. Les scientifiques ont pu réaliser cette étude car un amas galactique aussi important a une grande influence sur le comportement de la lumière dans son environnement. Il s'agit du phénomène de lentille gravitationnelle prédit par Einstein dans le cadre de la théorie de la relativité générale. La lumière qui nous parvient en provenance des galaxies lointaines en arrière plan est distordue à son approche de l'amas. L'étude précise des différences de distorsions des images des galaxies lointaines selon leur place dans l'amas permet d'en déduire la quantité de matière noire locale et d'établir ainsi une carte de la répartition de la matière noire dans l'amas.

Les amas galactiques sont gravitationnellement les éléments les plus importants de l'Univers. Leur étude est donc primordiale pour toute tentative cosmologique de la genèse et de l'évolution de l'ensemble de l'Univers, mystérieuse matière noire incluse !

La Galaxie du Cigare

Qu’est-ce qui allume ainsi la galaxie du Cigare ? M82, comme on appelle également cette galaxie irrégulière, a été récemment ravivée par un passage à proximité de la grande galaxie spirale M81. Cependant, cela n’explique pas totalement l’origine du gaz rougeoyant que l’on voit s’étendre perpendiculairement au plan de la galaxie. De récentes données indiquent que ce gaz est animé par des particules de vent stellaire en provenance de nombreuses étoiles, dont les courants combinés formeraient un "supervent " galactique. La mosaïque photographique visible ci-dessus, et rendue publique le 24 avril 2006 pour célébrer le 16ème anniversaire du télescope spatial Hubble, met en valeur une nuance spécifique de lumière rouge émise fortement par l’hydrogène ionisé et en révèle des filaments détaillés. Ces filaments peuvent s’étendre sur plus de 10 000 années-lumière. La galaxie du Cigare, distante de 12 millions d’années-lumière, est la plus lumineuse galaxie du ciel en infrarouge, et peut être observée en lumière visible avec un petit télescope dans la constellation de la Grande Ourse.