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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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