Quasar

Un trou noir qui se nourrit si vite qu'il éclipse toute sa galaxie

Étape par étape

Une étoile qui n'en était pas une

En 1963, Maarten Schmidt a découvert qu'un faible point lumineux appelé 3C 273 n'était pas une étoile : sa lumière avait été étirée par l'expansion de l'univers au cours d'un voyage d'environ 2 milliards d'années.

3C 273 était d'abord connu comme une source d'ondes radio, la 273e du troisième catalogue de Cambridge. En 1962, la Lune est passée devant, et le moment où ses ondes radio se sont éteintes a permis de le localiser. Il y avait là une étoile d'apparence banale, de magnitude 13, avec une faible traînée à côté.

Son spectre restait incompréhensible jusqu'à ce que Schmidt y reconnaisse le motif familier de l'hydrogène, décalé de près de 16 % vers le rouge. Seule l'expansion de l'univers pouvait produire cela : sa lumière voyageait donc depuis environ 2 milliards d'années. Un objet aussi brillant de si loin devait être d'une puissance inouïe. On les a appelés radiosources quasi stellaires : les quasars.

Plus brillant que cent Voies lactées

3C 273 brille comme 4 000 milliards de Soleils, environ cent fois toute la Voie lactée, et scintille en quelques jours : toute cette lumière vient d'une région de quelques jours-lumière seulement.

Autour de 3C 273 se trouve une galaxie elliptique géante, mais sur les images ordinaires elle disparaît dans l'éclat de son centre. Ce n'est qu'avec un coronographe, qui masque la lumière centrale comme la Lune masque le Soleil lors d'une éclipse, que Hubble a pu la voir nettement en 2024.

Si 3C 273 était à 30 années-lumière, il brillerait dans notre ciel autant que le Soleil. Pourtant sa lumière change en quelques jours, et rien ne peut s'allumer d'un bloc plus vite que la lumière ne le traverse : la source ne mesure que quelques jours-lumière, à peu près la taille de notre Système solaire.

La galaxie est dessinée d'après un modèle simple d'elliptique géante ; l'écart d'éclat avec son centre suit les mesures.

Un trou noir qui se nourrit

Au centre se trouve un trou noir d'environ 260 millions de Soleils. Le gaz qui tombe en spirale est comprimé et chauffé dans un disque jusqu'à briller plus que toutes les étoiles de la galaxie réunies.

Presque toutes les grandes galaxies abritent un trou noir supermassif en leur cœur, et la plupart sont calmes. Un quasar, c'est un trou noir qu'on nourrit : du gaz de sa galaxie, souvent agité par une collision avec une autre galaxie, tombe vers lui plus vite qu'il ne peut l'avaler.

Le gaz ne peut pas tomber tout droit. Comme l'eau dans un siphon, il tourbillonne en un disque plat, frotte sur lui-même, perd de l'énergie et descend lentement en spirale en chauffant. L'ombre du trou noir et la lumière courbée autour sont dessinées comme le veut la relativité générale ; les traînées du disque sont dessinées.

La lumière la plus intense

Près du trou noir, le disque brille surtout dans l'ultraviolet. Y tomber change environ un dixième de la masse du gaz en lumière : quatorze fois plus que la fusion nucléaire dans les étoiles.

La matière qui tombe vers un trou noir accélère et chauffe. Quand le gaz du disque atteint la dernière orbite stable, quelques fois la taille de l'horizon, environ un dixième de sa masse a été changé en chaleur et en lumière, et davantage si le trou noir tourne vite.

Le Soleil, en fusionnant l'hydrogène en hélium, ne change en énergie que 0,7 % de la masse qu'il brûle. C'est pourquoi les trous noirs qui se nourrissent sont les lumières durables les plus puissantes de l'univers. Le côté du disque qui tourne vers nous paraît plus brillant et plus bleu : le gaz lancé à une bonne fraction de la vitesse de la lumière projette sa lumière vers l'avant.

L'ultraviolet est invisible ; le disque est dessiné dans les couleurs de sa chaleur.

Des nuages sur des orbites rapides

Plus loin, des nuages de gaz tournent à environ 3 000 km/s, à quelque 145 jours-lumière du centre. En 2018, un instrument nommé GRAVITY les a vus tourner, ce qui a permis de peser le trou noir.

La lumière des quasars montre des raies larges : les couleurs de chaque élément sont étalées, car le gaz qui les émet se déplace à des milliers de kilomètres par seconde, une part vers nous et une part en s'éloignant. Ces nuages sont éclairés par le disque en leur sein.

En 2018, GRAVITY, qui réunit en un seul les quatre télescopes de 8 mètres du Very Large Telescope de l'ESO, a mesuré d'où venait la lumière des nuages à travers 3C 273 et les a vus tourner : s'approchant d'un côté, s'éloignant de l'autre. Leur vitesse à cette distance donne la masse du trou noir, environ 260 millions de Soleils (GRAVITY Collaboration 2018).

Les couleurs des nuages sont dessinées : bleu s'ils approchent, rouge s'ils s'éloignent. Leur rotation est accélérée ; une orbite dure en réalité des siècles.

Un jet à travers la galaxie

Une part du gaz ne tombe jamais. Projetée le long de l'axe à presque la vitesse de la lumière, elle forme un jet de 200 000 années-lumière, deux fois la largeur de la Voie lactée.

Près du trou noir, les champs magnétiques enroulés par la rotation du disque et du trou projettent un peu de gaz le long de l'axe à presque la vitesse de la lumière. Environ un quasar sur dix a des jets assez puissants pour briller fortement en ondes radio.

Le jet de 3C 273 se voit même sur des images ordinaires de Hubble, une traînée d'environ 200 000 années-lumière. Des nœuds semblent y filer plus vite que la lumière : une illusion, car ils foncent presque droit vers nous à une vitesse proche de celle de la lumière, et leur lumière arrive tassée. Son jumeau, dirigé à l'opposé, est trop faible pour être vu.

Le jet est dessiné en bleu pâle, tel qu'il apparaît sur les images de Hubble.

Le plus brillant de tous

Le quasar le plus brillant connu, J0529-4351, brille comme 500 000 milliards de Soleils. Son trou noir, de 17 milliards de Soleils, avale chaque jour plus d'un Soleil de gaz.

J0529-4351 est si brillant que pendant des décennies les relevés du ciel l'ont classé comme une étoile. En 2024, une équipe menée par Christian Wolf a montré avec le Very Large Telescope de l'ESO que c'est un quasar dont la lumière est partie il y a plus de 12 milliards d'années.

Son trou noir pèse environ 17 milliards de masses solaires et grossit encore. Le disque qui le nourrit mesure environ 7 années-lumière, le plus grand connu, et il brille comme plus de 500 000 milliards de Soleils (Wolf et al. 2024).

Le disque est dessiné à sa taille mesurée. L'ombre du trou noir en son centre est bien trop petite pour se voir à cette échelle.

L'âge des quasars

Les quasars étaient les plus nombreux il y a environ 10 milliards d'années, quand les galaxies étaient jeunes et pleines de gaz. La plupart ont depuis manqué de nourriture, et les brillants sont rares aujourd'hui.

Comme la lumière met du temps à nous parvenir, les quasars les plus lointains sont aussi les plus anciens. Les compter à chaque distance montre que les quasars brillants étaient environ cent fois plus nombreux il y a 10 à 11 milliards d'années qu'aujourd'hui.

Les galaxies étaient alors riches en gaz et entraient souvent en collision, ce qui poussait le gaz vers leur centre. À mesure que le gaz s'est épuisé en étoiles ou a été chassé, la plupart des trous noirs se sont calmés. Bien des galaxies géantes actuelles abritent les trous noirs endormis d'anciens quasars.

Le graphique donne, à peu près, la forme trouvée par les relevés. L'extinction du quasar ici est dessinée.

Notre propre trou noir

Le trou noir de la Voie lactée, Sagittarius A*, pèse 4,3 millions de Soleils et mange à peine. Mais deux bulles géantes de rayons gamma au-dessus et au-dessous de la galaxie laissent penser qu'il s'est embrasé il y a quelques millions d'années.

Sagittarius A* est environ soixante fois plus léger que le trou noir de 3C 273 et presque affamé : il ne brille que comme quelques centaines de Soleils, surtout en ondes radio et en rayons X.

En 2010, le télescope spatial Fermi a découvert deux immenses lobes de rayons gamma, chacun s'élevant à environ 25 000 années-lumière au-dessus et au-dessous du centre de la galaxie. Leur taille et leur forme suggèrent une éruption venue du centre il y a quelques millions d'années, peut-être lors du dernier grand repas de Sagittarius A*.

Les bulles sont invisibles à l'œil ; elles sont dessinées ici en violet. La Voie lactée est dessinée d'après un modèle simple.

Des phares qui ne bougent jamais

Les quasars sont si lointains qu'ils ne semblent jamais bouger. Les astronomes en utilisent des milliers comme points fixes par rapport auxquels toute position dans le ciel est mesurée.

Les étoiles dérivent dans le ciel au fil des ans en se déplaçant dans la galaxie. Les quasars, à des milliards d'années-lumière, restent en place : ce sont les meilleurs repères qui soient.

Le Repère céleste international, qui sert à guider les sondes et à suivre la rotation de la Terre, repose sur les positions de 4 536 radiosources lointaines, presque toutes des quasars, mesurées par des radiotélescopes du monde entier (ICRF3, 2018). La sonde Gaia arrime sa carte de près de deux milliards d'étoiles à environ 1,6 million de quasars.

Les anneaux marquent des quasars comme le ferait une carte ; les points qu'ils entourent sont dessinés.

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TON 618