27.3 : Les quasars comme sondes de l'évolution de l'univers

Objectifs d'apprentissage

À la fin de cette section, vous serez en mesure de :

• Suivez la montée et la chute des quasars au cours du temps cosmique
• Décrivez certaines des manières dont les galaxies et les trous noirs influencent la croissance de l'autre
• Décrivez comment les premiers trous noirs ont pu se former
• Expliquez pourquoi certains trous noirs ne produisent pas d'émission de quasars mais sont au repos

La brillance et la grande distance des quasars en font des sondes idéales pour explorer les confins de l'univers et son passé lointain. Rappelons que lors de l'introduction des quasars pour la première fois, nous avons mentionné qu'ils ont généralement tendance à être éloignés. Lorsque nous voyons des objets extrêmement éloignés, nous les voyons tels qu'ils étaient il y a longtemps. Le rayonnement émis par un quasar situé à 8 milliards d'années-lumière nous indique à quoi ressemblaient ce quasar et son environnement il y a 8 milliards d'années, bien plus près du moment où la galaxie qui l'entoure s'est formée pour la première fois. Les astronomes ont maintenant détecté de la lumière émise par des quasars déjà formés quelques centaines de millions d'années seulement après le début de l'expansion de l'univers, il y a 13,8 milliards d'années. Ils nous offrent ainsi une occasion remarquable de découvrir l'époque où de grandes structures se sont assemblées pour la première fois dans le cosmos.

L'évolution des quasars

Les quasars fournissent des preuves irréfutables que nous vivons dans un univers en évolution, un univers qui change avec le temps. Ils nous disent que les astronomes vivant il y a des milliards d'années auraient vu un univers très différent de celui d'aujourd'hui. Le décompte du nombre de quasars à différents décalages vers le rouge (et donc à différents moments de l'évolution de l'univers) nous montre à quel point ces changements sont dramatiques (Figure\(\PageIndex{1}\)). Nous savons maintenant que le nombre de quasars était le plus élevé à l'époque où l'univers n'avait que 20 % de son âge actuel.

Figure\(\PageIndex{1}\) : Nombre relatif de quasars et vitesse à laquelle les étoiles se sont formées en fonction de l'âge de l'univers. Un âge de 0 sur les diagrammes correspond au début de l'univers ; un âge de 13,8 correspond à l'heure actuelle. Le nombre de quasars et le taux de formation des étoiles étaient à leur maximum lorsque l'univers était environ 20 % plus vieux qu'il ne l'est aujourd'hui.

Comme vous pouvez le constater, la diminution du nombre de quasars à mesure que le temps se rapproche de nos jours est assez abrupte. Les observations montrent également que l'émission des disques d'accrétion situés autour des trous noirs les plus massifs atteint un pic précoce puis s'estompe. Les quasars les plus puissants ne sont observés que très tôt. Pour expliquer ce résultat, nous utilisons notre modèle de la source d'énergie des quasars, à savoir que les quasars sont des trous noirs contenant suffisamment de combustible pour former un disque d'accrétion brillant juste autour d'eux.

Le fait qu'il y avait plus de quasars il y a longtemps (loin) qu'il n'y en a aujourd'hui (à proximité) pourrait s'expliquer par le fait qu'il y avait plus de matière disponible susceptible d'être accrétée par les trous noirs au début de l'histoire de l'univers. On pourrait dire que les quasars étaient plus actifs lorsque leurs trous noirs fournissaient du carburant pour leurs « moteurs producteurs d'énergie ». Si ce combustible était principalement consommé au cours des premiers milliards d'années suivant le début de l'expansion de l'univers, plus tard dans sa vie, il ne resterait plus qu'un trou noir « affamé » pour éclairer les régions centrales de la galaxie.

En d'autres termes, si la matière du disque d'accrétion est continuellement épuisée en tombant dans le trou noir ou en étant expulsée de la galaxie sous forme de jets, alors un quasar ne peut continuer à rayonner que tant que du nouveau gaz est disponible pour réapprovisionner le disque d'accrétion.

En fait, il y avait plus de gaz à accréter au début de l'histoire de l'univers. À l'époque, la majeure partie du gaz ne s'était pas encore effondrée pour former des étoiles, de sorte qu'il y avait plus de carburant disponible pour alimenter les trous noirs et former de nouvelles étoiles. Une grande partie de ce combustible a ensuite été consommée lors de la formation des étoiles au cours des premiers milliards d'années qui ont suivi le début de l'expansion de l'univers. Plus tard dans sa vie, une galaxie n'aurait plus grand-chose pour alimenter un trou noir affamé ou pour former de nouvelles étoiles. Comme nous le voyons sur la figure\(\PageIndex{1}\), la formation des étoiles et la croissance des trous noirs ont atteint leur apogée lorsque l'univers avait environ 2 milliards d'années. Depuis, les deux sont en forte baisse. Nous sommes en retard dans la fête des galaxies et nous avons oublié une partie de l'excitation du début.

Les observations de galaxies plus proches (vues plus tard) indiquent qu'il existe une autre source de carburant pour les trous noirs centraux : la collision de galaxies. Si deux galaxies de masse similaire entrent en collision et fusionnent, ou si une galaxie plus petite est entraînée dans une galaxie plus grande, le gaz et la poussière de l'une peuvent s'approcher suffisamment du trou noir de l'autre pour être dévorés par celui-ci et fournir ainsi le carburant nécessaire. Les astronomes ont découvert que les collisions étaient également beaucoup plus fréquentes au début de l'histoire de l'univers qu'elles ne le sont aujourd'hui. Il y avait plus de petites galaxies à cette époque car, au fil du temps, comme nous le verrons (dans L'évolution et la distribution des galaxies), les petites galaxies ont tendance à se combiner pour former de plus grandes galaxies. Encore une fois, cela signifie que nous nous attendrions à voir plus de quasars il y a longtemps (loin) qu'aujourd'hui (à proximité), comme nous le faisons en fait.

Codépendance des trous noirs et des galaxies

Lorsque les masses des trous noirs ont commencé à être mesurées de manière fiable à la fin des années 1990, elles ont posé une énigme. Il semblait que la masse du trou noir central dépendait de la masse de la galaxie. Les trous noirs des galaxies semblent toujours ne représenter que 1/200 de la masse de la galaxie dans laquelle ils vivent. Ce résultat est illustré schématiquement sur la figure\(\PageIndex{2}\), et certaines des observations sont tracées sur la figure\(\PageIndex{3}\).

Figure\(\PageIndex{2}\) Relation entre la masse du trou noir et la masse de la galaxie hôte. Les observations montrent qu'il existe une corrélation étroite entre la masse du trou noir au centre d'une galaxie et la masse de la distribution sphérique des étoiles qui entoure le trou noir. Cette distribution sphérique peut prendre la forme d'une galaxie elliptique ou du renflement central d'une galaxie spirale.

Figure\(\PageIndex{3}\) Corrélation entre la masse du trou noir central et la masse contenue dans le renflement des étoiles entourant le trou noir, à l'aide de données provenant de galaxies réelles. Le trou noir représente toujours environ 1/200 de la masse des étoiles qui l'entourent. Les barres horizontales et verticales qui entourent chaque point indiquent l'incertitude de la mesure. (Source : modification d'un travail de Nicholas J. McConnell, Chung-Pei Ma, « Revisiting the Scaling Relations of Black Hole Masses and Host Galaxy Properties », The Astrophysical Journal, 764:184 (14 pages), 20 février 2013.)

D'une manière ou d'une autre, la masse du trou noir et la masse du bulbe d'étoiles environnant sont liées. Mais pourquoi cette corrélation existe-t-elle ? Malheureusement, les astronomes ne connaissent pas encore la réponse à cette question. Nous savons toutefois que le trou noir peut influencer le taux de formation des étoiles dans la galaxie et que les propriétés de la galaxie environnante peuvent influencer la vitesse de croissance du trou noir. Voyons comment ces processus fonctionnent.

Comment une galaxie peut influencer un trou noir en son centre

Voyons d'abord comment la galaxie environnante peut influencer la croissance et la taille du trou noir. Sans grandes quantités de « nourriture » fraîche, l'environnement des trous noirs ne brille que faiblement alors que des morceaux de matière locale s'envolent vers l'intérieur vers le trou noir. D'une manière ou d'une autre, de grandes quantités de gaz doivent se frayer un chemin vers le trou noir depuis la galaxie afin d'alimenter le quasar, de le faire croître et de dégager l'énergie nécessaire pour être remarqué. D'où vient cette « nourriture » destinée au trou noir et comment pourrait-elle être réapprovisionnée ? Le jury n'est toujours pas là, mais les options sont assez claires.

Une source évidente de carburant pour le trou noir est la matière de la galaxie hôte elle-même. Les galaxies commencent avec de grandes quantités de gaz et de poussière interstellaires, et au moins une partie de cette matière interstellaire est progressivement convertie en étoiles au fur et à mesure de l'évolution de la galaxie. D'autre part, au fur et à mesure que les étoiles passent leur vie et meurent, elles perdent de la masse tout le temps dans l'espace qui les sépare, renvoyant ainsi une partie du gaz et de la poussière vers le milieu interstellaire. Nous nous attendons à trouver plus de gaz et de poussière dans les régions centrales au début de la vie d'une galaxie que plus tard, lorsqu'une grande partie de celle-ci a été convertie en étoiles. Toute matière interstellaire qui s'aventure trop près du trou noir peut être accrétée par celui-ci. Cela signifie que nous pouvons nous attendre à ce que le nombre et la luminosité des quasars alimentés de cette manière diminuent avec le temps. Et comme nous l'avons vu, c'est exactement ce que nous constatons.

Aujourd'hui, les galaxies elliptiques et les renflements nucléaires des galaxies spirales ne contiennent plus que très peu de matière première pouvant servir de source de combustible au trou noir. Et la plupart des trous noirs géants des galaxies voisines, y compris celui de notre Voie lactée, sont maintenant sombres et relativement calmes, de simples ombres d'eux-mêmes. Cela correspond donc à nos observations.

Il convient de noter que même si vous avez un trou noir supermassif au repos, une étoile de la région peut parfois s'en approcher. Les puissantes forces de marée du trou noir peuvent alors séparer l'étoile entière en un flux de gaz. Ce cours d'eau forme rapidement un disque d'accrétion qui dégage de l'énergie de la manière normale et transforme la région du trou noir en un quasar temporaire. Cependant, le matériau tombera dans le trou noir après seulement quelques semaines ou quelques mois. Le trou noir retrouve ensuite son état latent et tranquille, jusqu'à ce qu'une autre victime passe.

Ce type d'événement « cannibale » ne se produit qu'une fois tous les 100 000 ans environ dans une galaxie typique. Mais comme nous pouvons surveiller des millions de galaxies dans le ciel, certains de ces « événements de perturbation des marées » sont découverts chaque année (Figure\(\PageIndex{4}\)). Cependant, ces événements individuels, aussi dramatiques soient-ils, sont trop rares pour expliquer les énormes masses des trous noirs centraux.

Figure\(\PageIndex{4}\) un Black Hole Snacks sur une étoile. Cette impression d'artiste montre trois niveaux d'une étoile (rouge) se balançant trop près d'un trou noir géant (cercle noir). L'étoile commence (en haut à gauche) dans sa forme sphérique normale, puis commence à prendre une longue forme de ballon de football par les marées soulevées par le trou noir (au centre). Lorsque l'étoile se rapproche, les marées deviennent plus fortes que la gravité qui maintient l'étoile unie, et elle se décompose en une banderole (à droite). Une grande partie de la matière de l'étoile forme un disque d'accrétion temporaire qui s'illumine comme un quasar pendant quelques semaines ou quelques mois.

Une autre source de carburant pour le trou noir est la collision de sa galaxie hôte avec une autre galaxie. Certaines des galaxies les plus brillantes se révèlent, lorsqu'une photo détaillée est prise, être des paires de galaxies qui entrent en collision. Et la plupart d'entre eux contiennent des quasars, que nous ne pouvons pas facilement voir car ils sont enfouis par d'énormes quantités de poussière et de gaz.

Une collision entre deux voitures crée un véritable désordre, poussant les pièces hors de leur place habituelle. De la même manière, si deux galaxies entrent en collision et fusionnent, le gaz et la poussière (mais pas tant les étoiles) peuvent être expulsés de leurs orbites normales. Certains peuvent s'approcher suffisamment du trou noir d'une galaxie ou de l'autre pour être dévorés par celui-ci et fournir ainsi le carburant nécessaire à l'alimentation d'un quasar. Comme nous l'avons vu, les collisions et les fusions de galaxies se produisaient le plus fréquemment lorsque l'univers était jeune, ce qui explique probablement le fait que les quasars étaient plus courants lorsque l'univers n'avait qu'environ 20 % de son âge actuel.

Les collisions dans l'univers d'aujourd'hui sont moins fréquentes, mais elles se produisent. Une fois qu'une galaxie atteint la taille de la Voie lactée, la plupart des galaxies avec lesquelles elle fusionnera seront des galaxies beaucoup plus petites, des galaxies naines (voir le chapitre sur les galaxies). Ils ne perturbent pas beaucoup la grande galaxie, mais ils peuvent fournir du gaz supplémentaire à son trou noir.

D'ailleurs, si deux galaxies, chacune contenant un trou noir, entrent en collision, les deux trous noirs peuvent fusionner et former un trou noir encore plus grand (Figure\(\PageIndex{5}\)). Au cours de ce processus, ils émettront une rafale d'ondes gravitationnelles. L'un des principaux objectifs de la mission LISA (Laser Interferometer Space Antenna) prévue par l'Agence spatiale européenne est de détecter les signaux d'ondes gravitationnelles provenant de la fusion de trous noirs supermassifs.

Figure\(\PageIndex{5}\) entre des galaxies en collision avec deux trous noirs. Nous comparons les images en lumière visible du télescope spatial Hubble (à gauche) et aux rayons X de Chandra (à droite) des régions centrales de NGC 6240, une galaxie située à environ 400 millions d'années-lumière. C'est un excellent exemple de galaxie dans laquelle les étoiles se forment, évoluent et explosent à un rythme exceptionnellement rapide en raison d'une fusion relativement récente (il y a 30 millions d'années). L'image de Chandra montre deux sources de rayons X lumineux, chacune produite par un gaz chaud entourant un trou noir. Au cours des quelques centaines de millions d'années à venir, les deux trous noirs supermassifs, distants d'environ 3 000 années-lumière, vont dériver l'un vers l'autre et fusionner pour former un trou noir encore plus grand. Cette détection d'un trou noir binaire soutient l'idée que les trous noirs peuvent atteindre d'énormes masses au centre des galaxies en fusionnant avec des galaxies voisines.

Observez deux galaxies entrer en collision pour former un trou noir supermassif.

Comment le trou noir influence-t-il la formation des étoiles dans la galaxie ?

Nous avons vu que la matière des galaxies peut influencer la croissance du trou noir. Le trou noir peut à son tour influencer la galaxie dans laquelle il réside. Il peut le faire de trois manières : par ses jets, par des vents de particules qui parviennent à s'éloigner du disque d'accrétion et par le rayonnement émis par le disque d'accrétion. En s'éloignant du trou noir, les trois peuvent soit favoriser la formation d'étoiles en comprimant le gaz et la poussière environnants, soit supprimer la formation d'étoiles en chauffant le gaz environnant et en broyant les nuages moléculaires, inhibant ou empêchant ainsi la formation d'étoiles. L'énergie qui s'écoule peut même suffire à stopper l'accumulation de nouvelles matières et à priver le trou noir de carburant. Les astronomes tentent toujours d'évaluer l'importance relative de ces effets pour déterminer l'évolution globale des renflements galactiques et les taux de formation des étoiles.

En résumé, nous avons vu comment les galaxies et les trous noirs supermassifs peuvent chacun influencer l'évolution de l'autre : la galaxie fournit du combustible au trou noir, et le quasar peut soutenir ou supprimer la formation des étoiles. L'équilibre de ces processus contribue probablement à expliquer la corrélation entre les masses des trous noirs et des renflements, mais aucune théorie n'explique quantitativement et en détail pourquoi la corrélation entre les masses des trous noirs et des renflements est aussi étroite qu'elle l'est ou pourquoi la masse du trou noir est toujours d'environ 1/200 multiplié par la masse du renflement.

La naissance des trous noirs et des galaxies

Alors que le lien entre les quasars et les galaxies est de plus en plus clair, la plus grande énigme de toutes, à savoir comment les trous noirs supermassifs des galaxies sont apparus, n'est toujours pas résolue. Les observations montrent qu'ils existaient lorsque l'univers était très jeune. Un exemple dramatique est la découverte d'un quasar qui brillait déjà alors que l'univers n'avait que 700 millions d'années. Que faut-il pour créer un grand trou noir si rapidement ? Un problème connexe est que pour construire des trous noirs contenant plus de 2 milliards de masses solaires, il est nécessaire de disposer de trous noirs « germes » géants dont la masse est au moins 2 000 fois supérieure à celle du Soleil, et ils doivent d'une manière ou d'une autre avoir été créés peu de temps après le début de l'expansion de l'univers.

Les astronomes travaillent actuellement activement à développer des modèles de la formation de ces trous noirs semenciers. Les théories suggèrent que les galaxies se sont formées à partir de l'effondrement de nuages de matière noire et de gaz. Une partie du gaz a formé des étoiles, mais peut-être qu'une partie du gaz s'est déposée au centre où il est devenu si concentré qu'il a formé un trou noir. Si cela se produisait, le trou noir pourrait se former immédiatement, bien que cela nécessite que le gaz ne tourne pas trop longtemps au départ.

Un scénario plus probable est que le gaz aura un certain moment cinétique (rotation) qui empêchera l'effondrement direct vers un trou noir. Dans ce cas, la toute première génération d'étoiles se formera et certaines d'entre elles, selon les calculs, auront des masses des centaines de fois supérieures à celles du Soleil. Lorsque ces étoiles auront fini de brûler de l'hydrogène, quelques millions d'années plus tard, les supernovae qui les formeront créeront des trous noirs d'une centaine de fois la masse du Soleil. Ceux-ci peuvent ensuite fusionner avec d'autres ou accroître la richesse de l'approvisionnement en gaz disponible à ces premiers moments.

Le défi consiste à faire croître ces petits trous noirs assez rapidement pour créer les trous noirs beaucoup plus grands que nous verrons quelques centaines de millions d'années plus tard. Cela s'avère difficile car il y a des limites à la rapidité avec laquelle ils peuvent accréditer de la matière. Cela devrait vous sembler logique d'après ce que nous avons discuté plus tôt dans le chapitre. Si le taux d'accrétion devient trop élevé, l'énergie sortant du disque d'accrétion du trou noir deviendra si forte qu'elle emportera la matière qui tombe.

Et si, au contraire, un nuage de gaz qui s'effondre ne formait pas directement un trou noir ou ne se décomposait pas pour former un groupe d'étoiles régulières, mais restait ensemble et formait une étoile assez massive intégrée dans un amas dense de milliers d'étoiles de moindre masse et de grandes quantités de gaz dense ? L'étoile massive aura une courte durée de vie et s'effondrera bientôt pour devenir un trou noir. Il peut alors commencer à attirer le gaz dense qui l'entoure. Mais les calculs montrent que l'attraction gravitationnelle des nombreuses étoiles voisines provoquera un zigzag aléatoire du trou noir au sein de l'amas et empêchera la formation d'un disque d'accrétion. S'il n'y a pas de disque d'accrétion, la matière peut tomber librement dans le trou noir de toutes les directions. Les calculs suggèrent que dans ces conditions, un trou noir, même 10 fois la masse du Soleil, pourrait atteindre plus de 10 milliards de fois la masse du Soleil lorsque l'univers aura atteint l'âge d'un milliard d'années.

Les scientifiques explorent d'autres idées pour former les germes de trous noirs supermassifs, et ce domaine de recherche demeure très actif. Quel que soit le mécanisme à l'origine de la formation rapide de ces trous noirs supermassifs, ils nous permettent d'observer l'univers juvénile alors qu'il n'était que cinq pour cent plus vieux qu'aujourd'hui.

Découvrez les nouveaux résultats de l'observatoire à rayons X Chandra sur la formation de trous noirs supermassifs au début de l'univers.

Résumé

Les quasars et les galaxies s'influencent mutuellement : la galaxie fournit du carburant au trou noir, et le quasar chauffe et perturbe les nuages de gaz de la galaxie. L'équilibre entre ces deux processus explique probablement pourquoi le trou noir semble toujours représenter environ 1/200 de la masse du renflement sphérique des étoiles qui entoure le trou noir. Les quasars étaient beaucoup plus courants il y a des milliards d'années qu'ils ne le sont aujourd'hui, et les astronomes pensent qu'ils marquent un stade précoce de la formation des galaxies. Les quasars étaient plus susceptibles d'être actifs lorsque l'univers était jeune et que le combustible pour leur disque d'accrétion était plus disponible. L'activité du quasar peut être redéclenchée par une collision entre deux galaxies, qui fournit une nouvelle source de carburant pour alimenter le trou noir.