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Les galaxies à noyau actif

Aperçu
Comparées aux galaxies dites normales, certaines galaxies, telles que les radiogalaxies*, les galaxies de Seyfert que les galaxies hôtes des quasars*, se singularisent par un surplus de luminosité, d'intensité couramment variable, et dont la source se situe dans leur noyau. Malgré des apparences très diverses, ces galaxies dites à noyau actif ou à AGN (Active galactic nucleus) correspondent à une même famille d'objets, dont l'origine du rayonnement est à chercher dans la présence dans leur coeur d'un objet compact supermassif (un trou noir géant, selon le point de vue le plus communément adopté). Selon la perspective actuelle, les diverses apparences observées résulteraient principalement de l'orientation différente par rapport à nous des galaxies concernées.

Mise en ordre
Les radiogalaxies
Ces objets sont des galaxies d'apparence ordinaire (des galaxies elliptiques géantes ou des galaxies lenticulaires, à une exception connue près, la radiosource 0313-192, dans Abell 428, qui est une spirale) lorsqu'on les observe dans le domaine visible, mais qui émettent puissamment dans le domaine radio. Leur émission peut être des centaines de fois plus puissante que celles des galaxies dites normales, et parfois davantage. C'est le cas, par exemple pour M 82 (Grande Ourse), M 87 (Vierge), Centaurus A (NGC 5128), ou encore Cygnus A, qui est un million de fois plus brillante dans le domaine radio que la Voie lactée.

Les régions de cette émission, très étendues, apparaissent au premier abord comme deux lobes placés de part et d'autre de la composante optique des galaxies concernées. Ces lobes correspondent en fait à l'extrémité de jets très étroits de gaz expulsés à partir des régions centrales de ces objets, et longs parfois de plusieurs milliers d'années-lumière. On citera aussi le cas extrême de 3C 236, où la source radio s'étend sur plus de 15 millions d'années-lumière .

Les galaxies de Seyfert
Ces galaxies, contrairement aux précédentes, sont souvent des spirales (et lenticulaires) et doivent leur nom à Karl Seyfert, qui, le premier a attiré l'attention sur elles en 1943. Ce sont des objets dont le noyau est très brillant (y compris dans le visible), et qui représentent par rapport aux radiogalaxies un cran au-dessus dans l'échelle de l'activité. Exemples : M 106 (Chiens de Chasse), M 77 (Baleine), NGC 1410 (Eridan). On ajoutera que l'on rencontre encore des noyaux qui ont les mêmes caractéristiques dans une petit nombre de galaxies naines. Le Petit nuage de Magellan est dans ce cas. On distingue par ailleurs deux classes de galaxies de Seyfert, les galaxies de Seyfert  de type 1 et de Seyfert de type 2, les secondes ayant un rayonnement UV et X plus faible que les premières.


Le quasar 3C 273 et son jet.
(Source : Chandra Photo Album).

Quasars*
Les quasars marquent encore une montée en puissance supplémentaire par rapport aux noyaux des galaxies de Seyfert et plus spécialement à celles du type 1, auxquels ils ressemblent le plus), qu'ils surpassent couramment de deux ordres de grandeur. Leur nom est du contraction de quasi-stellar (source), ou source quasi-stellaire, qui faisait référence, lors de leur découverte, au fait que leur émission semblait provenir d'un objet ponctuel, similaire à ce que serait celle d'une étoile. On a découvert par la suite qu'ils étaient excessivement éloignés et n'avaient rien avec des étoiles. Le quasar le plus proche connu est 3C 273, dans la constellation de la Vierge. Il se situe à un peu plus d'un milliard d'années-lumière (z = 0,158). En général les quasars se situent bien plus loin. Ils sont particulièrement abondants à des distances qui correspondent aux redshifts compris entre z = 2 et z = 2,5.

Au cours des dernières années, il a été possible d'obtenir des images montrant que les quasars correspondent à une région très brillante (et toujours d'apparence ponctuelle), situé au coeur de galaxies. Ces galaxies hâtes peuvent appartenir aux principaux types morphologiques connues. Mais on note aussi qu'elles sont souvent déformées par des interactions avec des galaxies voisines.


Galaxies-hôtes de quasars, vus par le télescope spatial Hubble.
(Crédit:  John Bahcall (IAS, Princeton), Michael Disney (University of  Wales), NASA)

Les astronomes distinguent plusieurs sortes de quasars selon qu'ils sont ou non des sources d'émission radio. Certaines caractéristiques spectrales peuvent également être un trait discriminatoire. Ainsi reconnaît-on une catégorie particulière de quasars dont le spectre est pratiquement dépourvu de raies d'émissions. Il s'agit des lacertides ou blazars. Le terme de lacertides  fait référence à BL Lacertae, prototype de ces objets (dans la constellation du Lézard); quant au mot blazar, on peut le faire dériver de l'anglais to blaze = flamboyer, mais peut aussi se comprendre comme une contraction de BL lacertae et de quasar... 

Le modèle unifié


Rouages
La grande difficulté, quand les astronomes veulent expliquer l'origine de l'énergie produite par les noyaux actifs des galaxies, est que cette énergie est énorme et provient d'une très petite région. Les mécanismes ordinairement envisagés (par exemple, la fusion thermonucléaire, qui est à l'origine de l'énergie des étoiles) ne sont pas suffisamment efficaces pour rendre compte des observations. Aussi, la seule piste susceptible de tenir ses promesses est celle de la gravitation. La conversion d'énergie gravitationnelle en rayonnement électromagnétique peut être 40 à 50 fois plus efficace que la conversion de masse en ce même rayonnement. C'est ce constat qui est le point de départ du modèle unifié des galaxies à noyau actif.

Schéma global
Ce modèle unifié suppose  au centre de chacune d'elle la présence d'une immense concentration de masse dans un très petit volume. D'un point de vue astrophysique, cela revient à poser l'existence d'un astre insolite. Plusieurs candidats existent : étoiles à bosons, boules de neutrinos, etc. La plupart de ces objets ressortent d'une physique aux contours encore hautement spéculatifs. Aussi, le candidat le plus généralement favorisé aujourd'hui est-il  un trou noir supermassif. Un tel objet, lui aussi est sans doute assez spécial, mais il a l'avantage de se comprendre dans la cadre d'une physique déjà éprouvée : théorie de la gravitation d'Einstein (relativité générale). 

Le disque d'accrétion
Quel que soit l'objet compact située au coeur des galaxies à noyau actif, son grand intérêt, c'est la capacité qu'il a à accélérer à de très hautes vitesses les corps qui viennent dans son voisinage, et qu'il engloutit définitivement, dans le cas d'un trou noir supermassif. En pratique, la matière ainsi avalée transite d'abord par un disque d'accrétion de quelque chose comme une unité astronomique de rayon seulement, et dans lequel cette matière  spirale en prenant à chaque boucle un peu plus de vitesse. Les étoiles entraînées dans se maëlstrom finissent elles-mêmes déchiquetées, et tout n'est plus très vite dans ce territoire de violence qu'un plasma porté à plusieurs milliards de degrés par la friction. Un tel milieu évacue une énergie gigantesque sous forme de rayonnement, et c'est cette énergie qui va rendre si brillant le quasar (ou l'objet apparenté) que l'on observera.

La géométrie de l'ensemble
En fait, et c'est ce qui fait toute la puissance du modèle unifié, cette énergie ne s'extrait pas toujours directement de sa zone de production en direction de l'espace intergalactique. Il faut tenir compte de la géométrie de la galaxie-hôte, et plus spécialement de la distribution de la matière environnante  : on attend  anneau de poussières qui bloque l'énergie émise dans sa direction. De plus le disque en rotation rapide fonctionne à la manière d'une dynamo, et engendre un champ magnétique dont une composante dipolaire, favorisée par la présence de l'anneau qui encercle le noyau,  va être à l'origine de l'accélération à de très hautes vitesses de diverses particules chargées (électrons, protons) qui seront ainsi soufflés le long de jets s'élançant de part et d'autre du disque, très loin dans l'espace.

Le tableau résultant
Tous ces éléments réunis produisent un tableau dans lequel les quasars occupent une extrémité, et les radiogalaxies l'autre extrémité. Les quasars peuvent se comprendre comme des noyaux actifs vues directement parce qu'ils sont situés dans des galaxies dont l'axe est dirigé vers nous. En revanche, les radiogalaxies, correspondant à des galaxies vues de profil, cachent leur noyau actif derrière la poussière de leur anneau interne et des condensations de poussières plus éloignées, concentrées sur leur plan équatorial. Seuls sont alors visibles les jets qui s'extraient de part et d'autre de la galaxie, et le gaz qui se dilue à leurs extrémités et forme les lobes radio caractéristiques. Entre les quasars et les radiogalaxies, toute la population d'objets aux caractéristiques intermédiaires (les types 1 et 2 des galaxies de Seyfert pourraient eux-même correspondre à des orientations différentes d'objets exactement similaires par ailleurs) peut se comprendre comme le résultat d'orientations intermédiaires de leurs galaxies-hôtes, ainsi que par les effets de taux d'accrétion variables selon les cas considérés. 
 

Radiogalaxie ou blazar? juste une question de point de vue...
Image composite de Centaurus A. La galaxie et sa bande de poussières apparaît en teintes chaudes au centre, les jets et les lobes radio en vert, et l'émission X en bleu. (Sources et crédits :  X-ray (NASA/CXC/M. Karovska et al.); Radio 21-cm image (NRAO/VLA/Schiminovich, et al.), Radio continuum image (NRAO/VLA/J.Condon et al.); Optical (Digitized Sky Survey, U.K. Schmidt Image/ STScI).

Évolution des AGN
Il existe un faisceau d'arguments qui conduisent à considérer l'activité des noyaux des galaxies comme une simple phase traversée à un certain moment de son existence par une galaxie par ailleurs ordinaire. Tout n'est qu'affaire d'opportunité et de moyens. Virtuellement toutes les galaxies pourraient bien, en effet, posséder en leur sein un trou noir massif (ou un objet équivalent du point de vue de ses effets gravitationnels). Notre propre Voie lactée, par exemple, possède un tel Léviathan (Le Centre galactique). Simplement, il est endormi. Ce qui manque pour le réveiller, c'est de la nourriture. Des étoiles et du gaz à gober, dans le cadre du mécanisme envisagé par le modèle unifié.  Or, de la nourriture, les galaxies en renfermaient nécessairement beaucoup plus dans le passé. Elles étaient également  davantage sujettes qu'aujourd'hui aux collisions et aux absorptions de galaxies plus petites, comme en attestent justement les déformations qui affectent souvent les galaxies-hôtes des quasars. De tels événements constituaient dès lors un apport supplémentaire de nourriture pour le trou noir.

Et tout cela réuni peut expliquer qu'il y ait eu une "ère des quasars" quand l'univers était beaucoup plus jeune. Cette époque, qui n'est pas la plus ancienne qu'aient traversé les galaxies, a commencé quand, à force de festins, le trou noir central est devenu suffisamment massif pour servir de moteur à la machine décrite précédemment.  L'activité s'est ensuite apaisée, faute de carburant, et dans l'univers actuel, les anciennes galaxies actives ne ardent plus du temps de leur splendeur que leur trou noir central repus et assoupi...

Un schéma qui n'exclut pas la possibilité d'un réveil à tout moment. Ainsi, des radiogalaxies proches telles que M 87 (Virgo A) ou NGC 5128 (Centaurus A), ont continué à être nourries à une époque récente. Une petite galaxies spirale gobée toute crue semble même visible au sein de Centaurus A. De quoi expliquer leur activité hors normes. Certains astronomes considèrent même que ces deux galaxies, si elles étaient vue de face au lieu de l'être de profil, seraient bel et bien des quasars (ou plus exactement des blazars). 

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