Que sont les quasars et comment façonnent-ils les galaxies ?

Balises cosmiques alimentées par des trous noirs

Quelque part dans l'univers lointain, des objets pas plus grands que notre système solaire éclipsent des galaxies entières contenant des centaines de milliards d'étoiles. Ce sont les quasars – sources radio quasi-stellaires – et ils figurent parmi les phénomènes les plus extrêmes que les astronomes aient jamais observés. Le quasar le plus brillant connu, J0529-4351, brille avec une luminosité plus de 500 billions de fois supérieure à celle du Soleil.

Malgré leur puissance extraordinaire, les quasars sont restés un mystère pendant des décennies après leur découverte. Comprendre comment ils fonctionnent révèle des vérités fondamentales sur les galaxies, les trous noirs et l'évolution du cosmos lui-même.

Comment fonctionnent les quasars

Un quasar est le noyau lumineux d'une galaxie où un trou noir supermassif – dont la masse varie de millions à des milliards de soleils – se nourrit activement du gaz et de la poussière environnants. À mesure que la matière se rapproche en spirale, elle forme un disque d'accrétion en rotation rapide. Les forces gravitationnelles et de friction chauffent ce disque à des millions de degrés, ce qui le fait rayonner d'énormes quantités d'énergie à travers le spectre électromagnétique, des ondes radio aux rayons X.

Certains quasars lancent également des jets relativistes – des faisceaux étroits de matière ionisée accélérés à près de la vitesse de la lumière – qui peuvent s'étendre sur des centaines de milliers d'années-lumière dans l'espace intergalactique. Selon la NASA, les quasars les plus puissants émettent jusqu'à mille fois la production d'énergie totale de la Voie lactée.

Toutes les galaxies n'hébergent pas un quasar actif. Le phénomène nécessite un approvisionnement généreux en gaz canalisé vers le trou noir central, c'est pourquoi les quasars étaient beaucoup plus courants dans l'univers primitif, lorsque les galaxies étaient riches en gaz et que les collisions étaient fréquentes.

Une découverte qui a changé l'astronomie

Les quasars ont été détectés pour la première fois comme des sources radio déroutantes à la fin des années 1950. La percée est survenue le 5 février 1963, lorsque l'astronome de Caltech, Maarten Schmidt, a examiné le spectre optique d'une source radio appelée 3C 273. Il a reconnu les raies d'émission d'hydrogène familières, mais décalées de façon spectaculaire vers l'extrémité rouge du spectre.

Cet énorme décalage vers le rouge signifiait que 3C 273 se trouvait à environ trois milliards d'années-lumière, bien au-delà de la Voie lactée. Pour qu'un objet à une telle distance apparaisse si brillant, sa luminosité intrinsèque devait être stupéfiante. La découverte de Schmidt, publiée dans Nature en mars 1963, a ouvert une toute nouvelle fenêtre sur l'univers lointain et a valu aux quasars leur surnom : balises du cosmos profond.

Comment les quasars façonnent leur environnement

Les quasars ne se contentent pas de briller : ils sculptent activement les galaxies qui les entourent grâce à un processus appelé rétroaction AGN. Le rayonnement, les vents et les jets d'un quasar actif peuvent chauffer et expulser le gaz froid dont les galaxies ont besoin pour former de nouvelles étoiles, ce qui freine efficacement la naissance d'étoiles dans la galaxie hôte.

Des recherches récentes utilisant le télescope spatial James Webb ont fait progresser cette image. Une équipe dirigée par Yongda Zhu de l'Université de l'Arizona a découvert que le quasar J0100+2802 supprime la formation d'étoiles non seulement dans sa propre galaxie, mais également dans les galaxies voisines dans un rayon d'au moins un million d'années-lumière. Le rayonnement intense divise l'hydrogène moléculaire dans les nuages de gaz environnants, éliminant ainsi la matière première nécessaire à la construction de nouvelles étoiles.

Cette découverte suggère que les galaxies n'évoluent pas de manière isolée. Un seul quasar puissant peut influencer le développement de tout un voisinage cosmique.

Pourquoi les quasars sont toujours importants

Parce que les quasars sont si lumineux, ils servent de contre-jours cosmiques. Leur lumière traverse les nuages de gaz intermédiaires sur son chemin vers la Terre, et en analysant les raies d'absorption imprimées sur cette lumière, les astronomes peuvent cartographier la composition et la distribution de la matière sur des milliards d'années-lumière – une technique essentielle pour comprendre la structure à grande échelle de l'univers.

JWST continue de révéler des surprises : des quasars enveloppés de poussière cachés dans l'univers primitif suggèrent que les quasars brillants étaient au moins deux fois plus courants au cours du premier milliard d'années après le Big Bang qu'on ne le pensait auparavant. Chaque nouvelle découverte affine nos modèles de la façon dont les trous noirs supermassifs et leurs galaxies hôtes ont co-évolué de l'aube cosmique à nos jours.

Des mystérieux signaux radio des années 1960 au regard infrarouge de JWST sur les époques les plus reculées, les quasars restent l'un des outils les plus puissants de l'astronomie – et les phénomènes les plus spectaculaires.