Ressources scientifiques
pour l’enseignement de la physique

Un partenariat entre

ENS Lyon Eduscol
Outils personnels
Navigation

Aller au contenu. | Aller à la navigation

Vous êtes ici : Accueil

Mots-clés

spectroscopie spectre quasar télescope télescope spatial Hubble décalage cosmologique

Observation des raies UV de quasars

Marie-Christine Artru

Centre de recherche d'astrophysique de Lyon, ENS Lyon

Catherine Simand

05/12/2008

Résumé

Un article du dossier « La spectroscopie en astronomie ». 14 spectres de quasars observés par le télescope spatial Hubble dans le domaine ultra-violet.


Les quasars ont une luminosité intrinsèque gigantesque et sont les objets les plus lointains que l'on peut observer. Ils sont intéressants pour leur éloignement à la fois dans l'espace et dans le temps. Nous en recevons de la lumière émise à des époques très reculées de l'évolution de l'univers, puisqu'elle se propage à vitesse finie.

On détecte des quasars à très grand décalage cosmologique : par exemple les quasars à z=4 sont distants de plus de 10 milliards d'années-lumière, donc vus à une période précoce de l'univers. C'est la relativité générale qui fournit une description géométrique de l'espace-temps dans cet univers en expansion après le big-bang. Elle explique l'effet du décalage cosmologique : le spectre observé est déplacé vers le rouge par rapport au spectre de la lumière émise, selon la relation (λobs - λémis)/ λémis  = z.

On explique la puissance d'émission lumineuse des quasars par la présence d'un trou noir qui « avale » la matière environnante. D'énormes quantités d'énergie gravitationnelle sont converties en rayonnement, émis notamment dans les domaines des rayons X et ultra-violets. Un même phénomène existe pour différents autres types de « galaxies à noyaux actifs ». Les énormes puissances des quasars (jusqu'à 1012 fois la luminosité du soleil) sont associées à des trous noir super-massifs.

La figure reproduite ci-dessous montre des spectres observés pour 14 quasars assez brillants. Les observations proviennent du télescope spatial Hubble et le travail d'analyse, publié en 2007 dans The Astronomical Journal , a été réalisé par une équipe internationale : les 39 auteurs de l'article appartiennent à 37 instituts de 8 pays différents (Allemagne, Australie, Canada, Etats-Unis, France, Grèce, Chili, Pays-Bas).

Le tableau ajouté à droite de la figure donne pour chacun des quasars la valeur du décalage cosmologique z (ou quasar redshift) et la valeur de la longueur d'onde observée λobs de la raie émise par l'ion C+3 à λémis = 1550 Å. Quand elle est observée, cette raie est pointée par une flèche rouge sur les spectres.

Figure 1. Spectres de 14 quasars.

Spectres de 14 quasars.

The Astronomical Journal

Légende originale : We show the spectra (flux versus observed wavelength, solid histogram) for the subsample of quasars observed for our Snap program. The spectra are order by right ascension. In addition, we overlay the power-law fit (smooth curve) described in §3.

Source : Hubble Space Telescope Ultraviolet Spectroscopy of 14 Low-Redshift Quasars, Rajib Ganguly et al, The Astronomical Journal, 133, 479-486, 2007.


1) La dénomination des quasars commence par le nom du catalogue où ils ont été répertoriés (par ex HE, catalogue Hamburg-ESO) suivi de leurs coordonnées.

2) L'unité des flux UV observés est de 10-15 erg.cm-2.s-1-1, soit 10-8 W.m-2.s-1-1. Par comparaison, le flux observé de l'étoile Bételgeuse (α Ori), supergéante rouge de la constellation d'Orion, est de l'ordre de 10-11 erg.cm-2.s-1-1 dans le même domaine UV, soit 4 ordres de grandeur plus grand.

Les spectres ultra-violets sont représentés dans une région limitée (longueurs d'onde 157 à 318 nm) qui a l'intérêt de contenir des raies d'émission intenses, caractéristiques des atomes plusieurs fois ionisés, tels que C+3 et N+4 (doublets de résonance C IV : λémis = 155 nm, N V : λémis = 124 nm). La résolution spectrale de 700 est suffisante, compte tenu de l'élargissement des raies émises. Les ions C+3 et N+4 sont présents dans les gaz « photo-ionisés » de l'environnement du trou noir. Ces milieux sont irradiés par les rayonnements très énergétiques issus du « moteur central », ce qui arrache les électrons des atomes du gaz.

Les quasars étudiés ici ont des décalages cosmologiques z variant entre 0,1 à 0,8. Une même raie d'émission à la longueur d'onde λémis est observée à la valeur λobs = (1+z) λémis et ce décalage vers le rouge est donc différent d'un quasar à l'autre. Par exemple, sur la figure on a repéré par une flèche rouge la raie de C IV, émise par l'ion du carbone C+3. Elle apparaît pour la plupart des quasars observés, à des positions dépendant de la valeur de z du quasar.

Les spectres diffèrent fortement d'un quasar à l'autre, certains sont affectés par l'absorption de galaxies se trouvant sur la ligne de visée, certains avec des raies d'absorption très larges sont classés comme BAL (broad absorption lines).

Les traits communs et les différences entre ces spectres sont des indices qui permettent de mieux comprendre les nombreux phénomènes physiques souvent violents qui interviennent autour des trous noirs, dans les quasars et autres galaxies actives.

Retour au sommaire du dossier « La spectroscopie en astronomie ».