Article. A propos de: "Un
nouveau paradigme concernant la formation des galaxies"
par Jean-Paul Baquiast
16/02/2002
Les
quasars (pour « source de rayonnement quasi-stellaire »,
quasi-stellar radio source ) sont des objets astronomiques
qui ont longtemps été mal compris. Ils
rayonnent de l'énergie électromagnétique
en lumière visible et aux longueurs d'ondes
radios. Jean-Pierre Luminet, dans son magistral traité
intitulé "Le destin de l'Univers, Trous
noirs et énergie sombre", de 2006, considère
encore (p. 489) qu'il s'agit des phénomènes
les plus mystérieux de l'univers. On observe
de la Terre des milliers de quasars, dont la lumière
montre un décalage vers le rouge très
élevé. Ceci veut dire qu'ils sont très
éloignés ou, compte tenu du temps que
met la lumière à nous parvenir, très
anciens. Pour que l'on puisse les voir, il faut donc
qu'ils libèrent des quantités considérables
d'énergie.
Celle-ci
est généralement attribuée à
des supernovae ou à des sursauts gamma. Il
s'agit d'évènements de (relativement)
courte durée dont certains proviennent de l'effondrement
gravitationnel ou à la destruction d'étoiles
massives, sous l'influence d'un trou noir proche.
Les sursaut se traduisent par des jets de matière
éjectée à des vitesses proche
de celle de la lumière. Mais pour les observer,
il faut se trouver dans la ligne du jet. Ceci explique
que les observations de quasars ne soient pas aussi
nombreuses que le nombre supposé des trous
noirs, que ce soit dans l'univers proche ou dans l'univers
lointain. De toutes façons, vu leur éloignement
et donc leur ancienneté, les quasars identifiés
aujourd'hui sont considérés comme éteints,
autrement dits morts depuis longtemps.
Phénomènes
encore mal connus parce que difficiles à observer,
les quasars sont généralement associés
à des phénomènes encore plus
difficiles à observer, considérés
il y a quelques décennies comme quasi mythiques,
mais dont l'existence n'est en général
plus contestée, les trous noirs. L'ouvrage
de Jean Pierre Luminet précité décrit
ces derniers avec beaucoup de détails. Ils
sont supposés être de plusieurs types
et de toutes tailles, depuis des trous noirs minuscules
(de la dimension d'une particule) à des trous
noirs supermassifs, de plusieurs millions de masses
solaires. Les trous noirs ne sont observables qu'indirectement,
notamment lorsque la matière qu'ils absorbent
est chauffée à des températures
considérables avant d'être engloutie
en produisant des rayons de type X. On considèrent
aujourd'hui que les centres de galaxie, y compris
la Voie Lactée, comportent des trous noirs
supermassifs. Mais ceux-ci sont généralement
inobservables de la Terre. Ils sont de très
faible diamètre, souvent obscurs s'ils ne disposent
plus d'étoiles proches à absorber, ou
bien cachés par les grandes quantités
d'étoiles gravitant près des centres
galactiques.
Le
phénomène des trous noirs parait aujourd'hui
suffisamment important pour que l'astrophysique s'interroge
sur les mécanismes provoquant leur formation.
En simplifiant beaucoup, nous allons voir que l'hypothèse
traditionnelle, selon laquelle les trous noirs se
forment dans les galaxies, à la suite de l'effondrement
de certaines étoiles en fin de vie, est remise
en cause par une autre hypothèse, selon laquelle
certains types de trous noirs, les trous noirs supermassifs,
seraient antérieurs à la formation des
galaxies et pourraient déclencher la compression
de nuages de gaz voisins, provoquant finalement l'apparition
d'une galaxie. Mais la question des origines reste
entière. D'où proviendraient ces trous
noirs supermassifs, présents dans l'univers
bien avant les étoiles telles que nous les
connaissons?
L'hypothèse
classique: les trous noirs se forment dans les galaxies
Le
fait que des trous noirs supermassifs soient généralement
associés aux galaxies a conduit à soupçonner
qu'ils se forment au sein de celles-ci. Les galaxies
sont très nombreuses (estimée à
une centaine de milliards dans l'univers visible)
et très diverses. Certaines sont jeunes, âgées
de quelques milliards d'années, voire moins.
D'autres paraissent même en voie de formation.
D'autres sont beaucoup plus âgées, remontant
aux origines de l'univers, aujourd'hui sans doute
disparues mais toujours visibles du fait de l'éloignement.
Or les mécanismes de formation de ces galaxies,
sans lesquelles il n'y aurait pas d'étoiles
ni de nucléosynthèse stellaire, avaient
fait jusqu'à présent l'objet d'un certain
consensus. On considérait généralement
que la plupart des galaxies provenaient de nuages
de gaz et poussières qui à partir d'une
certaine concentration, s'effondraient sous l'effet
de la gravité. Les étoiles résultaient
de l'allumage (fusion nucléaire) des gaz dans
les nuages les plus denses. Ces étoiles s'organisaient
en galaxies de diverses formes sous l'effet de la
rotation gravitationnelle. Par la suite, au sein de
ces galaxies, un certain nombre d'étoiles en
fin de vie s'effondraient gravitationnellement, donnant
naissance à des trous noirs de masse stellaire.
Les trous noirs supermassifs dont l'on soupçonne
la présence au coeur des galaxies résulteraient
dans cette hypothèse de l'agrégation
de millions de tels trous noirs stellaires. En fonction
de la quantité de matière qu'ils absorberaient,
les trous noirs supermassifs ainsi formés pourraient
ré-émettre dans l'espace des jets de
matière très loin au delà des
limites de la galaxie, éventuellement à
des millions d'années lumière. Certains
de ceux ci seraient occasionnellement perçus
de la Terre sous la forme des quasars mentionnés
plus haut. Dans ce scénario, ni les trous noirs,
ni les quasars, ne joueraient de rôle dans la
formation des galaxies. Ils en seraient plutôt
des conséquences. Le mécanisme déclencheur
qui a provoqué et provoque encore l'effondrement
gravitationnel au sein des nuages de matière
formés peu avant le Big Bang ou existant encore
ne paraissait pas poser de problèmes particuliers.
Il résultait de la répartition aléatoire
à petite échelle des masses dans le
cosmos .,
Une
nouvelle hypothèse: certains trous noirs sont
antérieurs aux galaxies et peuvent provoquer
leur formation
Or
ce mécanisme apparemment simple vient d'être
remis en cause à la suite d'une hypothèse
formulée par une équipe dirigée
par l'astrophysicien français David Elbaz,
du CEA. Ceux qui ne voudraient pas se reporter à
la publication faite dans le volume 507 de la revue
Astronomy and Astrophysics (références
ci-dessous) en trouveront un résumé
proposé par l'écrivain scientifique
Marcus Chown dans le NewScientist du 9 janvier 2010
p. 31. Résumons à notre tour l'hypothèse.
On pourrait penser qu'il ne s'agit que de discussions
hautement techniques, n'intéressant pas l'astronomie
ordinaire. Selon nous au contraire, la nouvelle hypothèse
ainsi formulée pourrait avoir des implications
très profondes, dont nous espérons avoir
l'occasion de nous entretenir dans quelques semaines
avec David Elbaz lui-même. Il faut saluer à
cette occasion le dynamisme de l'astrophysique franaise
et notamment en l'espèce du CEA, trop souvent
peu signalé dans la littérature spécialisée.
L'équipe
de David Elbaz a rappelé que le pic d'activité
dans la formation des quasars s'était produit
lorsque l'univers était encore jeune, il y
a 8 à 10 milliards d'années. Il coïncide
avec un pic dans la formation des étoiles à
ces mêmes époques. Il devrait donc exister
un lien entre les deux phénomènes. Autrement
dit, les quasars (et les trous noirs sous-jacents)
ne seraient peut-être pas des conséquences
de la formation des galaxies, comme le suggérait
le scénario résumé ci-dessus.
Ils en seraient peut-être la cause. Comment
cela pourrait-il se faire?
Pour
le comprendre, l'équipe de David Elbaz a étudié
le quasar HE0450-2958 situé à 3,2 milliards
d'années-lumière de la Terre (image).
Celui-ci présente l'intérêt d'être
« nu », autrement dit de n'être
pas associé à une galaxie. Il résulte
donc sans doute de l'activité d'un trou noir
supermassif isolé, comme il en existe un certain
nombre. Or en suivant le jet de matière éjecté
par ce quasar, l'équipe a constaté qu'il
plongeait dans une galaxie en pleine période
de formation d'étoiles jeunes, proche car située
à 23.000 années lumière de là.
Ils en ont déduit que la formation de cette
galaxie résultait de l'impact sur un nuage
de poussières proches du jet de matière
éjecté par le trou noir supermassif
correspondant au quasar HE0450-2958, devenu de ce
fait une véritable star dans le monde des quasars.
Le
mécanisme général pourrait être
le suivant: lorsqu'un de ces jets traverse un nuage
de gaz et de poussière se trouvant sur sa trajectoire,
il le comprime jusqu'à déclencher par
gravité la formation d'étoiles. Si ces
étoiles sont en nombre suffisant, elles peuvent
se regrouper en galaxie. Si enfin le trou noir responsable
de la formation de la galaxie se trouve suffisamment
voisin de celle-ci, les deux objets peuvent fusionner
et le trou noir se retrouver au centre de la galaxie.
Ces
conclusions sont actuellement discutées par
plusieurs astrophysiciens, avec différents
arguments que nous n'examinerons pas ici. De toutes
façons, il faut rechercher d'autres cas illustrant
l'hypothèse selon laquelle les trous noirs
supermassifs seraient la cause et non pas la conséquence
de la formation des galaxies. David Elbaz est confiant.
Pour lui, il est très possible que l'univers
jeune (peut-être âgé d'un milliard
d'années après le Big Bang) ait donné
naissance à des trous noirs immensément
massifs (10 milliards de masses solaires) avant que
ceux-ci ne donnent naissance à des galaxies.
Ceci dit, pour lui, il ne s'agit encore que d'hypothèses,
car les difficultés sont grandes quand on mesure
les trous noirs à de telles distances. Il faut
continuer à étudier cette possibilité.
Mais
pourquoi des trous noirs et pas de la matière
ordinaire non encore agrégée en nuages
de poussières puis en étoiles, comme
le dit le scénario classique, partout encore
enseigné? Comment ces trous noirs, qui en principe
font disparaître des quantités considérables
de matière ordinaire, peuvent ils émettre
siimultanément d'aussi grandes quantités
de cette même matière? Existe-t-il un
lien entre ces phénomènes et les hypothèses
relatives au Big Bang, à la formation d'autres
types de matière que celle visible, voire aux
multivers? Le jeu des questions-réponses, sans
doute plus exotiques les unes que les autres, est
ouvert.
Pour
en savoir plus
Un quasar"nu" pris en flagrant délit:
Article
provenant du laboratoire AIM d'Astrophysique du CEA
Article dans Astronomy and astrophysics vol 507 p.
1359
Quasar
induced galaxy formation: a new paradigm ?, 2009,
Elbaz, D., Jahnke, K., Pantin, E., Le Borgne, D.,
Letawe, G.,
David Elbaz
site
http://david.elbaz3.free.fr/index.html
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