Quasars : Les Phares du Cosmos lointain

Un univers éclairé par ses noyaux les plus violents

Découverte et puissance des quasars

Les quasars (pour « quasi-stellar radio source ») sont parmi les objets les plus lumineux et énergétiques de l’Univers connu. Découverts au début des années 1960 par Maarten Schmidt (1929-2022), ils émettent des rayonnements capables de rivaliser avec la lumière de centaines de galaxies entières. Leur puissance découle de l’accrétion de matière sur un trou noir supermassif situé au centre d’une galaxie active.

Nature physique d’un quasar

Un quasar n’est ni un simple trou noir, ni une galaxie. Il s’agit d’un état d’activité du noyau galactique, et non d’un type d’objet isolé. Le quasar désigne le phénomène d’activité extrême observé au centre de certaines galaxies, et non l’objet matériel lui-même.

Conclusion physique

Le trou noir est le moteur énergétique, le quasar le phénomène observable produit par ce moteur, et la galaxie hôte le cadre gravitationnel qui contient l’ensemble du système.

Luminosité et énergie

La luminosité totale d’un quasar peut atteindre \( L \approx 10^{40}\ \mathrm{W} \), soit environ \(10^{13}\) fois celle du Soleil. Une telle énergie ne peut provenir que d’un mécanisme gravitationnel efficace. La conversion de masse en énergie suit l’équation relativiste \(\,E = \eta m c^2\,\), où \(\eta\) représente le rendement de conversion, souvent compris entre 0,1 et 0,4 dans un disque d’accrétion relativiste.

N.B. :
Une galaxie active possède un noyau extrêmement lumineux, alimenté par l’accrétion de gaz sur un trou noir supermassif. Cette énergie, de l’ordre de \(10^{39}\) à \(10^{41}\ \mathrm{W}\), décrite par \(\,E = \eta m c^2\,\) avec \(\eta \approx 0{,}1\), fait des AGN les sources les plus puissantes de l’Univers observable.

Des distances extrêmes et un fort décalage vers le rouge

Les quasars se situent à des distances cosmologiques considérables, parfois supérieures à 12 milliards d’années-lumière. Leur spectre présente un fort redshift (\(z > 6\)), témoignant d’une émission survenue lorsque l’Univers n’avait qu’une fraction de son âge actuel.

Ces mesures permettent aux astrophysiciens d’étudier l’époque de la réionisation cosmique, c’est-à-dire la transition de l’Univers entre un état neutre et ionisé. Les quasars, en illuminant le milieu intergalactique, sont de véritables balises temporelles de la formation des structures cosmiques.

Redshift et distances des quasars

Redshift et distances des quasars

Redshift et distances des quasars

Physique de l’accrétion et jets relativistes

Autour du trou noir central, la matière forme un disque en rotation rapide. Les forces de friction internes convertissent l’énergie potentielle gravitationnelle en rayonnement électromagnétique.

Des champs magnétiques intenses canalisent une partie de l’énergie sous forme de jets relativistes, capables de propulser des particules à des vitesses proches de \(c\), la vitesse de la lumière. Ces jets, observés notamment par le radiotélescope VLBA, constituent une signature majeure des Noyaux actifs de galaxie (AGN).

Quasars et évolution galactique

Les observations suggèrent que la plupart des galaxies massives hébergent un trou noir supermassif en leur centre. Les quasars représenteraient une phase transitoire de cette évolution galactique : lorsqu’un afflux de gaz déclenche une accrétion rapide, le noyau devient éblouissant. Une fois le réservoir de matière épuisé, la galaxie se stabilise et le quasar s’éteint.

La corrélation observée entre la masse du trou noir (\(M_{\mathrm{BH}}\)) et celle du bulbe galactique (\(M_{\mathrm{bulge}}\)) suggère une coévolution gouvernée par des processus de rétroaction énergétique : \( M_{\mathrm{BH}} \propto M_{\mathrm{bulge}}^{1.1} \)

Tableau comparatif : Quasars et autres noyaux actifs

Source : NASA ADS Astrophysics Data System, Observatoire Européen Austral (ESO).