Ils ont capté les rayons d’un trou noir à 8 milliards d’années-lumière : un record qui pourrait changer notre vision du cosmos
À la recherche de ses origines, la noosphère continue de sonder des strates de lumière anciennes contenant toute l'histoire de l'Univers observable, de l'émission du rayonnement fossile à aujourd'hui, environ 13,7 milliards d'années après le Big Bang.
De nouveaux instruments ont été conçus et fabriqués au cours des dernières décennies, étudiant le cosmos et ses astres dans des longueurs d'onde différentes. On a ainsi la radioastronomie, l’astronomie infrarouge et l'astronomie gamma pour ne citer que quelques-uns des domaines de l'astronomie.
Les records sont battus d'année en année en ce qui concerne l'ancienneté des strates sondées pour des astres donnés. L'un des derniers en date concerne un objet dont les photons gamma nous le montrent tel qu'il était il y a environ 8 milliards d'années. Il s'agit d'OP 313, un blazar émettant des rayons gamma de très haute énergie, le plus lointain jamais observé, comme l'explique un article publié dans la revue Astronomy & Astrophysics et dont une version en accès libre existe sur arXiv.
Mais c’est quoi un blazar ?
Une première réponse consiste à dire qu'il s'agit d'un quasar un peu particulier et que le premier détecté du genre, en 1968, était BL Lacertae, une source radio alors identifiée à une galaxie située dans la direction de la constellation boréale du Lézard et aussi appelée BL Lac.
Représentation d'artiste d'un tore de gaz et de poussière entourant un trou noir supermassif en rotation émettant des jets de particules, en particulier des protons « p » accélérés. Entrant en collision, ces protons produisent des mésons ∏ chargés et neutres qui se désintègrent en muons μ et neutrinos ν. Il y a aussi des photons gamma Υ. Un blazar est un quasar dont l'un des jets est orienté en direction de la Terre par hasard. © Nasa, IceCube
Nous savons maintenant que les quasars « ordinaires » et les blazars font partie de la même famille d'objets, les noyaux actifs de galaxies (Active Galactic Nucleus ou AGN en anglais) et qu'il existe un modèle unifié de ces objets rendant compte des observations : un trou noir de Kerr supermassif en rotation accrétant de la matière.
On peut alors comprendre la seconde réponse qui consiste à dire que le terme blazar est tout à la fois la contraction de BL Lac et de quasar et qu'il vient également de l'anglais Blazing quasi-stellar radiosource, que l'on peut traduire par « source radio éclatante quasi stellaire ».
Le saviez-vous ?
Il y a environ 60 ans, la technique des occultations a permis de déterminer la contrepartie dans le visible de ce qui n'était alors qu'une étonnante source radio puissante, 3C 273. Lorsque Maarten Schmidt, un astronome néerlandais, a ensuite fait l’analyse spectrale de la lumière de l’astre toujours dans le visible, il découvrit avec stupéfaction des lignes d’émissions de l’hydrogène fortement décalées vers le rouge. Or, 3C 273 apparaissait dans le visible comme une étoile, alors que ce résultat impliquait qu’il se situât en dehors de la Voie lactée à une distance cosmologique. Pour être observable d’aussi loin, l’objet devait donc être d’une luminosité prodigieuse. D’autres quasi-stellars radio sources, des quasars selon la dénomination proposée en 1964 par l’astrophysicien d’origine chinoise Hong-Yee Chiu, n’allaient pas tarder à être découverts. On en connaît aujourd’hui plus de 200 000.
Les astrophysiciens ont très tôt cherché à comprendre la nature de ces astres qui, bien que libérant d’énormes quantités d’énergie, semblaient être de petite taille. On a d’abord pensé qu’il pouvait s’agir d’énormes étoiles dominées par les effets de la relativité générale, notamment responsables du décalage spectral, avant d’envisager assez rapidement qu’il pouvait s’agir de trous noirs supermassifs accrétant d’importantes quantités de gaz. Dans le bestiaire des astres relativistes que l’on commençait à explorer sérieusement pendant les années 1960, certains, comme le Russe Igor Novikov et l'Israélien Yuval Ne'eman, ont même proposé que les quasars soient en fait des trous blancs. C’est-à-dire soit des régions de l’Univers dont l’expansion au moment du Big Bang avait été retardée (hypothèse des lagging core), soit l’autre extrémité de trous de ver éjectant la matière qu’ils avaient absorbée sous forme de trous noirs dans une autre partie du cosmos, voire dans un autre Univers.
Nous sommes à chaque fois en présence des processus de magnétohydrodynamique (MHD) relativiste complexes accompagnant l'accrétion de matière et la rotation de ce type de trous noirs ; ces processus conduisent à la formation de jets de particules et à des émissions d'ondes électromagnétiques dans les domaines radio, X et gamma. Lorsqu'un des jets de particules pointe dans notre direction, on observe un blazar.
Des trous noirs se cachaient bien derrière tous les types de noyaux actifs de galaxies
Des astrophysiciens ayant utilisé l’interféromètre du Very Large Telescope de l’Observatoire européen austral (le VLTI de l'ESO) ont observé un disque de poussière entourant le trou noir supermassif au cœur de la galaxie Messier 77, dont des caractéristiques sont bien celles attendues depuis une trentaine d’années pour les noyaux actifs de galaxies. La découverte consolide ainsi l’astrophysique des trous noirs décrite par ce que l’on appelle le « modèle unifié » des AGN.... Lire la suite
Un nouvel instrument pour l'astronomie gamma
Mais revenons à d'OP 313 qui fait donc partie des noyaux actifs de galaxies exceptionnellement lumineux, alimentés par un trou noir supermassif central. Il vient d'être débusqué, plus précisément en 2023, puis étudié ensuite par une équipe internationale d'astrophysiciens menée par des membres de l'Université de Genève (Unige).
Au cours de la dernière décennie, une équipe dévouée de plus de 1 500 scientifiques et ingénieurs du monde entier a œuvré de concert pour repousser les limites de l'astronomie gamma. Il s'agit sans aucun doute d'un projet colossal. Comment y parviennent-ils ? En unissant leurs expertises et leurs ressources pour créer le plus grand et le plus avancé technologiquement observatoire de rayons gamma au monde : le CTAO. Grâce à des performances sans précédent, le CTAO devrait révéler une vision entièrement nouvelle de l'Univers à très haute énergie. Avec la récente phase d'expansion de l'observatoire, nous sommes aujourd'hui plus proches que jamais de cette nouvelle vision de l'Univers. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © CTAO
Les instruments qui ont rendu possible cette détection ont été développés dans le cadre d'un projet, celui de l'observatoire Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO), qui sera l'observatoire le plus grand et le plus puissant au monde dédié à l'astronomie gamma.
Plus précisément, le blazar a été examiné avec l'aide du prototype des télescopes de grande taille qui équiperont, le LST-1 (Large-Sized Telescope), et des télescopes Magic (Major Atmospheric Gamma-ray Imaging Cherenkov), tous situés à l'observatoire du Roque de los Muchachos, sur l'île de La Palma, en Espagne, comme l'explique un communiqué de l'Unige.
Ces télescopes détectent et caractérisent des photons gamma cosmiques à hautes énergies en utilisant l'effet Tcherenkov, de façon similaire à son utilisation en astronomie neutrino, par exemple avec IceCube.
L'astrophysicienne Françoise Combes, la médaille d’or 2020 du CNRS, professeure au Collège de France et chercheuse à l'Observatoire de Paris, nous explique ce qu'il y a derrière l'astronomie neutrino avec le détecteur IceCube et qui a valu le prix Nobel de physique 2026 à Francis Halzen, l'homme qui, avec ses collègues, a rendu possible la détection des neutrinos cosmiques de haute énergie, probablement en relation avec des trous noirs supermassifs.... Lire la suite
L'idée est la suivante. Un photon gamma passant dans le champ électrostatique d'un noyau d'atome dans la haute atmosphère de la Terre va initier une création en cascade d'une gerbe de particules chargées sur lesquelles l'énergie du photon gamma est répartie. Ces particules se déplaçant dans l'atmosphère vont produire une sorte d'onde de choc électromagnétique dans ce milieu matériel où la lumière se déplace moins vite que ces particules, lesquelles vont toutefois moins vite que la lumière dans le vide. L'onde de choc se présente sous la forme d'un rayonnement bleuté, le rayonnement Tcherenkov, qui détecté et caractérisé permet de remonter à la direction et à l'énergie du photon gamma initial.
Euclid et l'IA révèlent enfin l'origine des prodigieux noyaux actifs de galaxies
Le rôle des fusions de galaxies dans l'alimentation en matière des trous noirs supermassifs actifs – qui brillent formidablement sous forme de quasars en réponse – fait l'objet de débats depuis longtemps parmi les astronomes. Or, un ensemble de données sans précédent, portant sur un million de galaxies et provenant du télescope Euclid, renouvelle le débat au point de peut-être le clore enfin.... Lire la suite
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