Observation des raies UV de quasars

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 (λ_obs - λ_émis)/ λ_émis  = 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 λ_obs de la raie émise par l'ion C⁺³ à λ_émis = 1550 Å. Quand elle est observée, cette raie est pointée par une flèche rouge sur les spectres.

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.

Figure 1. Spectres de 14 quasars.

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 : λ_émis = 155 nm, N V : λ_émis = 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 λ_émis est observée à la valeur λ_obs = (1+z) λ_émis 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.

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