27.E : Galaxies actives, quasars et trous noirs supermassifs (exercices)

Pour une exploration plus approfondie

Des articles

Bartusiak, M. « Une bête dans le cœur ». Astronomie (juillet 1998) : 42. Sur des trous noirs supermassifs au centre des galaxies.

Disney, M. « Un nouveau regard sur les quasars ». Scientific American (juin 1998) : 52.

Djorgovski, S. « Incendies à l'aube cosmique ». Astronomie (septembre 1995) : 36. Sur les quasars et ce que nous pouvons en tirer.

Ford, H., et Tsvetanov, Z. « D'énormes trous noirs au cœur des galaxies ». Sky & Telescope (juin 1996) : 28. Belle vue d'ensemble.

Irion, R. « Un quasar dans chaque galaxie ? » Sky & Telescope (juillet 2006) : 40. Explique comment les trous noirs supermassifs alimentant les centres des galaxies peuvent être plus courants qu'on ne le pense.

Kormendy, J. « Pourquoi y a-t-il autant de trous noirs ? » Astronomie (août 2016) : 26. Discussion sur les raisons pour lesquelles les trous noirs supermassifs sont si courants dans l'univers.

Kruesi, L. « Les secrets des objets les plus brillants de l'univers ». Astronomie (juillet 2013) : 24. Examen de notre compréhension actuelle des quasars et de la façon dont ils nous aident à mieux connaître les trous noirs.

Miller, M. et coll. « Les trous noirs supermassifs : façonner leur environnement. » Sky & Telescope (avril 2005) : 42. Des jets provenant de disques à trous noirs.

Nadis, S. « Exploration de la connexion entre la galaxie et le trou noir ». Astronomie (mai 2010) : 28. Vue d'ensemble.

Nadis, S. « Ici, là-bas et partout. » Astronomie (février 2001) : 34. Sur les observations de Hubble montrant à quel point les trous noirs supermassifs sont courants dans les galaxies.

Nadis, S. « Exploration de l'intérieur d'une galaxie monstre ». Astronomie (mai 2014) : 24. Ce que les observations aux rayons X nous apprennent sur le mécanisme qui alimente la galaxie active M87.

Olson, S. « Les chasseurs de trous noirs ». Astronomie (mai 1999) : 48. Dresse le portrait de quatre astronomes qui recherchent des trous noirs « affamés » au centre de galaxies actives.

Peterson, B. « Résoudre le casse-tête des quasars ». Sky & Telescope (septembre 2013) : 24. Un article de synthèse sur la façon dont nous avons découvert que les trous noirs étaient la source d'énergie des quasars et comment nous les percevons aujourd'hui.

Tucker, W., et coll. « Black Hole Blowback ». Scientific American (mars 2007) : 42. Comment les trous noirs supermassifs créent des bulles géantes dans le milieu intergalactique.

Voit, G. « L'essor et la chute des quasars ». Sky & Telescope (mai 1999) : 40. Bon aperçu de la place des quasars dans l'histoire cosmique.

Wanjek, C. « Comment les trous noirs ont contribué à construire l'univers. » Sky & Telescope (janvier 2007) : 42. Sur l'énergie et la sortie des disques autour des trous noirs supermassifs ; belle introduction.

Sites Web

Monstres dans les noyaux galactiques : http://chandra.as.utexas.edu/stardate.html. Un article sur les trous noirs supermassifs de John Kormendy, du magazine StarDate.

Quarante ans plus tard, astronomie des quasars : http://www.astr.ua.edu/keel/agn/quasar40.html. Un article populaire de William Keel publié en 2003.

Quasars et noyaux galactiques actifs : www.astr.ua.edu/keel/agn/. Une galerie annotée d'images montrant le large éventail d'activités des galaxies. On y trouve également une introduction, un glossaire et des informations générales. Également par William Keel.

Quasars : « La lumière fantastique » : http://hubblesite.org/newscenter/arc...35/background/. Ce bref « document d'information » du bureau d'information du site HubbleSite donne un aperçu de l'histoire de la découverte et de la compréhension des quasars.

Vidéos

Galaxies actives : https://www.youtube.com/watch?v=Y_HgsFmwCeg. Fait partie de la série Astronomie : observations et théories ; introduction d'une demi-heure aux quasars et aux objets connexes (27:28).

Chaos des trous noirs : les environnements des trous noirs les plus supermassifs de l'univers : https://www.youtube.com/watch?v=hzSgU-3d8QY. Conférence de mai 2013 du Dr Belinda Wilkes et de la Dre Francesca Civano du Centre d'astrophysique dans le cadre de la série de conférences CfA Observatory Nights (50:14).

Hubble et Black Holes : http://www.spacetelescope.org/videos/hubblecast43a/. Hubblecast sur les trous noirs et les noyaux galactiques actifs (9:10).

Monster Black Holes : https://www.youtube.com/watch?v=LN9oYjNKBm8. Conférence de mai 2013 du professeur Chung-Pei Ma de l'université de Californie à Berkeley ; dans le cadre de la série de conférences sur l'astronomie de la Silicon Valley (1:18:03).

Activités de groupe collaboratives

1. Lorsque les quasars ont été découverts pour la première fois et que la source de leur grande énergie était inconnue, certains astronomes ont cherché des preuves que les quasars étaient beaucoup plus proches de nous que ne le laissaient supposer leurs décalages vers le rouge. (De cette façon, ils n'auraient pas à produire autant d'énergie pour paraître aussi brillants qu'eux.) L'une des solutions était de trouver une « paire dépareillée » : un quasar et une galaxie présentant différents décalages vers le rouge qui se situent presque dans la même direction dans le ciel. Supposons que vous trouviez une seule galaxie avec un quasar à proximité, et que le décalage vers le rouge du quasar soit six fois plus important que celui de la galaxie. Demandez à votre groupe de déterminer si vous pourriez alors conclure que les deux objets se trouvent à la même distance et que le décalage vers le rouge n'est pas un indicateur fiable de distance. Pourquoi ? Supposons que vous trouviez trois paires de ce type, chacune avec des décalages vers le rouge différents. Supposons que chaque galaxie possède un quasar proche avec un décalage vers le rouge différent. En quoi votre réponse changerait-elle et pourquoi ?
2. Les grands télescopes au sol ne peuvent généralement accorder du temps qu'à un astronome sur quatre qui demande du temps d'observation. Un éminent astronome a essayé pendant plusieurs années d'établir que les décalages vers le rouge des quasars n'indiquaient pas leurs distances. Au début, on lui a donné du temps sur le plus grand télescope du monde, mais il est finalement devenu évident que les quasars n'étaient que les centres des galaxies actives et que leurs décalages vers le rouge indiquaient vraiment la distance. À ce moment-là, le comité d'astronomes qui a examiné ces propositions lui a refusé du temps d'observation. Supposons que votre groupe ait fait partie du comité. Quelle décision aurais-tu prise ? Pourquoi ? (En général, quels critères les astronomes devraient-ils appliquer pour permettre aux astronomes dont les points de vue sont totalement en désaccord avec l'opinion dominante de poursuivre leurs recherches ?)
3. Sur la base des informations contenues dans ce chapitre et dans Black Holes and Curved Spacetime, demandez à votre groupe de discuter de ce que ce serait près de l'horizon des événements d'un trou noir supermassif dans un quasar ou une galaxie active. Dressez une liste de toutes les raisons pour lesquelles un voyage dans cette région ne serait pas bon pour votre santé. Soyez précis.
4. Avant de comprendre que l'énergie des quasars provient de trous noirs supermassifs, les astronomes étaient déconcertés par la façon dont de si petites régions pouvaient émettre autant d'énergie. Divers modèles ont été suggérés, certains impliquant une nouvelle physique ou des idées assez « éloignées » de la physique actuelle. Votre groupe peut-il proposer certains domaines de l'astronomie que vous avez étudiés dans ce cours pour lesquels nous n'avons pas encore d'explication pour ce qui se passe dans le cosmos ?

Questions de révision

1. Décrivez certaines différences entre les quasars et les galaxies normales.
2. Décrivez les arguments qui soutiennent l'idée que les quasars se trouvent aux distances indiquées par leur décalage vers le rouge.
3. En quoi les galaxies actives ressemblent-elles à des quasars, mais sont-elles différentes des galaxies normales ?
4. Pourquoi la concentration de matière au centre d'une galaxie active comme M87 ne pourrait-elle pas être constituée d'étoiles ?
5. Décrivez le processus par lequel l'action d'un trou noir peut expliquer l'énergie émise par les quasars.
6. Décrivez les observations qui ont convaincu les astronomes que M87 est une galaxie active.
7. Pourquoi les astronomes pensent-ils que les quasars constituent un stade précoce de l'évolution des galaxies ?
8. Pourquoi les quasars et les galaxies actives n'ont-ils pas été initialement reconnus comme étant « spéciaux » d'une manière ou d'une autre ?
9. Selon nous, quelle est la principale différence entre les galaxies normales et les galaxies actives ?
10. Quelle est la structure typique que nous observons dans un quasar aux radiofréquences ?
11. Quelles preuves avons-nous que la région centrale lumineuse d'un quasar est petite et compacte ?

Questions de réflexion

1. Supposons que vous observiez un objet semblable à une étoile dans le ciel. Comment savoir s'il s'agit réellement d'une étoile ou d'un quasar ?
2. Pourquoi aucune des méthodes d'établissement des distances par rapport aux galaxies, décrites dans Galaxies (autre que la loi de Hubble elle-même), ne fonctionne-t-elle pas pour les quasars ?
3. L'une des premières hypothèses expliquant les hauts décalages vers le rouge des quasars était que ces objets avaient été éjectés à très grande vitesse depuis d'autres galaxies. Cette idée a été rejetée, car aucun quasar doté de grands décalages bleus n'a été découvert. Expliquez pourquoi nous nous attendrions à voir des quasars avec des lignes décalées vers le bleu et vers le rouge s'ils étaient éjectés des galaxies voisines.
4. Un de vos amis qui a regardé de nombreux épisodes et films de Star Trek déclare : « Je pensais que les trous noirs attiraient tout. Pourquoi alors les astronomes pensent-ils que les trous noirs peuvent expliquer la grande quantité d'énergie produite par les quasars ? » Comment réagirais-tu ?
5. La Voie lactée pourrait-elle devenir une galaxie active ? Est-il susceptible d'être aussi lumineux qu'un quasar ?
6. Pourquoi les quasars sont-ils généralement beaucoup plus lumineux (pourquoi produisent-ils tellement plus d'énergie) que les galaxies actives ?
7. Supposons que nous détections une puissante source radio avec un radiotélescope. Comment pouvons-nous déterminer s'il s'agissait d'un quasar récemment découvert et non d'une transmission radio à proximité ?
8. Une amie essaie de vous convaincre qu'elle peut facilement apercevoir un quasar dans le télescope de son jardin. Croiriez-vous sa déclaration ?

Se débrouiller par vous-même

1. Montrez que, quelle que soit l'ampleur du décalage vers le rouge (\(z\)) que nous mesurons, il ne\(v/c\) sera jamais supérieur à 1. (En d'autres termes, aucune galaxie que nous observons ne peut s'éloigner plus rapidement que la vitesse de la lumière.)
2. Si un quasar a un décalage vers le rouge de 3,3, à quelle fraction de la vitesse de la lumière s'éloigne-t-il de nous ?
3. Si un quasar s'éloigne de nous à\(v/c\) = 0,8, quel est le décalage vers le rouge mesuré ?
4. Dans le chapitre, nous avons indiqué que les plus grands décalages vers le rouge constatés jusqu'à présent sont supérieurs à 6. Supposons que nous trouvions un quasar avec un décalage vers le rouge de 6,1. Avec quelle fraction de la vitesse de la lumière s'éloigne-t-elle de nous ?
5. La variabilité rapide des quasars indique que la région dans laquelle l'énergie est produite doit être petite. Vous pouvez montrer pourquoi c'est vrai. Supposons, par exemple, que la région dans laquelle l'énergie est générée soit une sphère transparente de 1 année-lumière de diamètre. Supposons qu'en 1 s, cette région s'éclaircit d'un facteur 10 et reste lumineuse pendant deux ans, après quoi elle retrouve sa luminosité d'origine. Tracez sa courbe de lumière (un graphique de sa luminosité au fil du temps) vue depuis la Terre.
6. Les grands décalages vers le rouge déplacent les positions des raies spectrales vers de plus grandes longueurs d'onde et modifient ce qui peut être observé depuis le sol. Supposons, par exemple, qu'un quasar ait un décalage vers le rouge de\(\frac{\Delta \lambda}{\lambda} = 4.1\). À quelle longueur d'onde effectueriez-vous des observations afin de détecter sa lignée d'hydrogène Lyman, dont la longueur d'onde de laboratoire ou de repos est de 121,6 nm ? Cette ligne serait-elle observable avec un télescope au sol dans un quasar sans décalage vers le rouge ? Serait-il observable depuis le sol dans un quasar avec un décalage vers le rouge de\(\frac{\Delta \lambda}{\lambda} = 4.1\) ?
7. Encore une fois dans ce chapitre, nous voyons l'utilisation de la troisième loi de Kepler pour estimer la masse des trous noirs supermassifs. Dans le cas du NGC 4261, ce chapitre a fourni le résultat du calcul de la masse du trou noir dans le NGC 4261. Pour obtenir cette réponse, les astronomes ont dû mesurer la vitesse des particules dans l'anneau de poussière et de gaz qui entoure le trou noir. À quelle vitesse s'élevaient ces vitesses ? Inversez la troisième loi de Kepler et utilisez les informations données dans ce chapitre sur la galaxie NGC 4261, à savoir la masse du trou noir en son centre et le diamètre de l'anneau de poussière et de gaz environnant, pour calculer le temps qu'il faudrait à une particule de poussière dans l'anneau pour effectuer une orbite unique autour du trou noir. Supposons que la seule force agissant sur la particule de poussière est la force gravitationnelle exercée par le trou noir. Calculez la vitesse de la particule de poussière en km/s.
8. Dans la section Vérifiez votre apprentissage de l'exemple 27.1.1 de la section 27.1, vous avez été informé que plusieurs raies d'absorption d'hydrogène dans le spectre visible ont des longueurs d'onde de repos de 410 nm, 434 nm, 486 nm et 656 nm. Dans le spectre d'une galaxie lointaine, on observe que ces mêmes raies ont des longueurs d'onde de 492 nm, 521 nm, 583 nm et 787 nm, respectivement. L'exemple a démontré que z = 0,20 pour la raie de 410 nm. Montrez que vous obtiendrez le même décalage vers le rouge, quelle que soit la ligne d'absorption que vous mesurez.
9. Dans la section Check Your Learning de l'exemple 27.1.1 de la section 27.1, l'auteur a fait remarquer que même à\(z = 0.2\), il existe déjà un écart de 11 % entre la solution relativiste et la solution classique. Quelle est la différence en pourcentage entre les résultats classiques et relativistes à\(z = 0.1\) ? C'est pour quoi\(z = 0.5\) ? C'est pour quoi\(z = 1\) ?
10. Le quasar qui apparaît le plus brillant de notre ciel, le 3C 273, est situé à une distance de 2,4 milliards d'années-lumière. Le Soleil devrait être observé à une distance de 1 300 années-lumière pour avoir la même magnitude apparente que 3C 273. À l'aide de la loi des carrés inverses pour la lumière, estimez la luminosité de 3C 273 en unités solaires.