Les quasars ont d’abord dérouté les astronomes lorsqu’ils ont été découverts. Identifiés pour la première fois comme des sources de rayonnement radiofréquence, des observations ultérieures ont montré que les objets avaient des homologues optiques qui ressemblaient à des étoiles. Mais le spectre de ces étoiles apparentes montrait de nombreuses émissions à des longueurs d’onde qui ne semblaient correspondre à aucun atome que nous connaissions.
Finalement, nous avons compris qu’il s’agissait de raies spectrales d’atomes normaux mais fortement décalées vers le rouge sur d’immenses distances. Cela signifie que pour apparaître comme des étoiles à ces distances, ces objets devaient être plus brillants qu’une galaxie entière. Finalement, nous avons découvert que les quasars sont la lumière produite par un trou noir supermassif qui se nourrit activement au centre d’une galaxie.
Mais trouver de nouveaux exemples reste difficile car, sur la plupart des images, elles continuent à ressembler à des étoiles : il faut encore obtenir un spectre et déterminer leur distance pour savoir que l’on regarde un quasar. Pour cette raison, il se peut qu’il y ait des quasars inhabituels que nous avons ignorés parce que nous n’avions pas réalisé qu’il s’agissait de quasars. C’est le cas d’un objet nommé J0529−4351, qui s’est avéré être le quasar le plus brillant que nous ayons jamais observé.
Ce n’est pas une star !
J0529−4351 avait été observé à plusieurs reprises, mais sa nature n’a pas été reconnue jusqu’à ce qu’une étude parte à la recherche de quasars et reconnaisse qu’il en était un. Au moment de la publication de l’article de 2023 décrivant l’enquête, les chercheurs à l’origine de cette étude suggéraient qu’elle avait été soit agrandie par lentille gravitationnelle, soit qu’il s’agissait du quasar le plus brillant que nous ayons jamais identifié.
Dans Nature Astronomy de cette semaine, ils ont confirmé : ce n’est pas une lentille, c’est vraiment si brillant. La lentille gravitationnelle a tendance à déformer les objets ou à en créer plusieurs images. Mais J0529−4351 n’est pas déformé et rien à proximité ne lui ressemble. Et il n’y a rien au premier plan qui ait suffisamment de masse pour créer un objectif.
Alors, comment prendre un objet incroyablement lumineux et le rendre encore plus lumineux ? La lumière d’un quasar est produite par un disque d’accrétion. Alors que des disques d’accrétion peuvent se former autour de trous noirs avec des masses similaires à celles des étoiles, les quasars nécessitent un trou noir supermassif comme ceux que l’on trouve au centre des galaxies. Ces disques sont formés d’un matériau qui a été capturé par la gravité du trou noir et est en orbite avant de tomber vers l’intérieur et de traverser l’horizon des événements. La lumière est créée lorsque le matériau est chauffé par les collisions de ses particules constitutives et cède de l’énergie gravitationnelle lorsqu’il tombe vers l’intérieur.
Obtenir plus de lumière d’un disque d’accrétion est assez simple : soit vous y mettez plus de matière, soit vous l’agrandissez. Mais il y a une limite à la quantité de matériel que vous pouvez entasser dans un seul. À un moment donné, le disque d’accrétion produira tellement de rayonnement qu’il chassera tout matériau supplémentaire tombant vers l’intérieur, étouffant ainsi sa propre réserve de nourriture. Appelée limite d’Eddington, cette limite fixe la luminosité d’un disque d’accrétion et la rapidité avec laquelle un trou noir peut se développer.
Des facteurs tels que la masse du trou noir et sa rotation contribuent à fixer la limite d’Eddington. De plus, la quantité de matière tombant vers l’intérieur peut descendre en dessous de la limite d’Eddington, ce qui entraîne un peu moins de lumière produite. En essayant diverses combinaisons de ces facteurs et en les comparant aux données d’observation, les chercheurs ont abouti à plusieurs estimations des propriétés du trou noir supermassif et de son disque d’accrétion.
Extrêmement lumineux
Pour la taille du trou noir supermassif, les chercheurs proposent deux estimations possibles : l’une à 17 milliards de masses solaires et l’autre à 19 milliards de masses solaires. Ce n’est pas le plus massif connu, mais il n’y en a qu’une douzaine qui seraient plus grands. (À titre de comparaison, celui au centre de la Voie lactée ne représente « que » environ 4 millions de masses solaires.) Les données sont mieux adaptées à une rotation modérée, nous les observons à environ 45 degrés du pôle du trou noir. Le disque d’accrétion aurait un diamètre d’environ sept années-lumière. Cela signifie que si le système était centré sur notre Soleil, plusieurs étoiles proches se trouveraient à l’intérieur du disque.
Le taux d’accrétion nécessaire pour alimenter la luminosité est juste en dessous de la limite d’Eddington et équivaut à environ 370 masses solaires de matériau par an. Soit environ un soleil par jour. À ce rythme, il faudrait environ 30 millions d’années pour doubler de taille.
Mais il est rare d’avoir autant de matière à portée de main pour pouvoir se nourrir aussi longtemps. Et un examen des images d’archives montre que la luminosité de J0529−4351 peut varier jusqu’à 15 %, il est donc peu probable qu’il repousse la limite d’Eddington tout le temps.
Malgré cela, il est difficile de comprendre comment une telle quantité de matière peut être entraînée au centre d’une galaxie pendant une période de temps considérable. Les chercheurs suggèrent que le réseau de télescopes ALMA pourrait y détecter tout ce qui est inhabituel. « Si des quasars extrêmes étaient provoqués par des flux de gaz inhabituels dans la galaxie hôte, ALMA devrait le voir », écrivent-ils. « Si rien d’inhabituel n’était trouvé dans le gaz hôte, cela rendrait plus pointu le casse-tête bien connu de savoir comment maintenir des taux d’accrétion élevés suffisamment longtemps pour former des trous noirs supermassifs aussi extrêmes. »
L’ensemble du disque d’accrétion est également suffisamment grand pour qu’il soit possible de l’imager avec le Very Large Telescope, ce qui nous permettrait de suivre la rotation du disque et d’estimer la masse du trou noir.
La nature extrême du système pourrait donc nous aider à comprendre ses détails malgré son immense distance. Pendant ce temps, les chercheurs se demandent si d’autres systèmes inhabituels pourraient rester inconnus simplement parce que nous n’avons pas envisagé qu’un objet pourrait être un quasar au lieu d’une étoile.
Astronomie de la nature, 2024. DOI : 10.1038/s41550-024-02195-x (À propos des DOI).