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Marie Pinhas-Diena, responsable de la communication scientifique l T. 01 44 27 22 89 l M. marie.pinhas@upmc.fr

Quasar, vous avez dit quasar ?

Il était une fois l’Univers lointain

L’Univers est entré en expansion il y a 13,8 milliards d’années. Après un ralentissement dû à l’effet de la gravitation, l’expansion a repris de plus belle depuis 5 milliards d’années sans doute à cause d’une force répulsive encore mal connue et produite par ce que les astrophysiciens appellent l’énergie sombre. La transition entre les deux phases a pu être mise en évidence grâce à un catalogue de galaxies très lointaines appelées quasars. Patrick Petitjean, astronome à l’Institut d’astrophysique de Paris (IAP, CNRS/UPMC) et « chasseur » de quasars, revient sur la masse d’informations que nous procurent ces objets d’un monde lointain.

 

Le sondage Boss (Baryon oscillation spectroscopic survey)

Les quasars sont des objets très lumineux de l’Univers lointain (mille fois plus de lumière qu'une galaxie de 100 milliards d'étoiles), dont l'énergie provient de trous noirs géants (un milliard de fois plus massifs que le soleil). Ils sont visibles à des milliards d'années lumière de distance.

 

Lors de son long trajet vers la Terre, la lumière d’un quasar passe à travers des nuages de gaz d'hydrogène intergalactique qui l’absorbent à des longueurs d'onde spécifiques. Cette absorption imprime dans le spectre du quasar un motif irrégulier connu sous le nom de forêt Lyman-alpha. L'étude des absorptions dans le spectre des quasars permet d'aborder certains des questionnements physiques de la cosmologie, comme la formation et l'évolution des galaxies et des grandes structures, ou encore la réionisation de l’univers et la nature de la matière noire.

 

Le sondage SDSS-III (Sloan Digital Sky Survey) est le plus grand relevé du ciel actuel. Au sein de cette expérience, le projet BOSS (Baryonic Oscillation Spectroscopic Survey) est à la recherche de centaines de milliers de quasars à grand décalage spectral pour étudier la structure à grande échelle de l’Univers par l'observation du milieu intergalactique. La découverte de structures qui ont permis de montrer l’accélération de l’expansion de l’univers a reçu le prix La Recherche 2013.

 

Un des premiers spectres de quasar pris par Boss. Ce quasar est probablement une galaxie lointaine ayant en son centre un trou noir super-massif. Sur la partie haute de la figure, le quasar bleu est indiqué par un cercle sur l’image du ciel prise par SDSS. La partie basse de la figure montre son spectre mesuré par Boss. © D. Hogg, V. Bhardwaj et N. Ross.

 

Il y a 11 milliards d'années… la température de l'Univers

Depuis des dizaines d’années, les astronomes utilisent la lumière des quasars lointains pour déterminer la composition chimique et la distance de vastes nuages moléculaires situés eux aussi aux confins de l’Univers. La spectrographie fournit également des indications sur leurs vitesses de rotation, la présence de champ magnétique et les conditions physiques qui y règnent. L’étude du milieu interstellaire dans l’univers lointain est un outil important pour comprendre la formation des galaxies.

 

L’expansion a-t-elle refroidi l’Univers ?

Selon la théorie du Big Bang, l'état initial de l'Univers était dense et chaud. La théorie prévoit que 400 000 ans environ après le Big Bang, lorsque la température de l'Univers était de 3000 K (degrés kelvins), la matière et le rayonnement se sont découplés et le rayonnement est devenu ce qu’on appelle le fond diffus cosmologique. Depuis, la température de l'Univers (celle du fond diffus) n’a cessé de décroître régulièrement avec le temps du fait de son expansion. Si selon la théorie, la température d’il y a 11 milliards d'années devait être d'environ 9,3 K, elle est actuellement de 2,725 K.

 

Pour mesurer la température de l'Univers à cette époque extrêmement reculée, le Very Large Telescope européen situé au Chili a été transformé en… thermomètre. Son spectrographe a permis d'observer les raies d’absorption de molécules d'hydrogène et de monoxyde de carbone, présentes dans une galaxie lointaine, interposée entre un quasar et notre planète. L’étude de l’excitation de cette molécule par le fond diffus a confirmé la température attendue.

 

Le VLT, l'observatoire de l'Eso sur le mont Paranal au Chili. © Eso

 

Un spectre d'un atome connu sur Terre (D) et présent dans des nuages de plus en plus lointain donnera lieu à la formation de raies d'absorption de plus en plus décalées vers le rouge (A, B, C) dans le spectre d'un quasar (A, gauche). © Eso

 

Les lois de la nature testées par trois télescopes indépendants

Ces observations permettent aussi de tester la variation dans le temps et l’espace des constantes fondamentales de la physique. Ces dernières années, une controverse a fait son apparition. Des chercheurs anglo-australiens ont affirmé avoir détecté une variation de la constante de structure fine au cours du temps et même d'un point de l'Univers à l'autre. Un groupe franco-indien n'a jamais quant à lui, confirmé ces variations.

 

Pour confirmer ou infirmer les hypothèses, une équipe internationale a observé un quasar se trouvant dans l'Univers primordial à l'aide de trois télescopes : le Very Large Telescope européen du Chili et les télescopes américains Keck et japonais Subaru posés au sommet du Manua Kea à Hawaii. Il s'agissait de tester l'électromagnétisme, l'une des quatre forces fondamentales de la physique. Une fois toutes les corrections appliquées, les trois télescopes ont donné la même réponse. Si variation il y a, elle est inférieure à un dix millième de pourcent.

Pour en savoir plus :

Institut d’astrophysique de Paris (CNRS/UPMC)Nouvelle fenêtre

Le site du Sloan Digital Sky Survey (SDSS) : http://www.sdss.org/

 

À voir :

Grandes structuresNouvelle fenêtre.

 

« This is a galaxy »Nouvelle fenêtre

 

Une introduction au milieu intergalactiqueNouvelle fenêtre



13/01/15