quasar (suite)

Propriétés optiques

Cependant, les spectres optiques de ces objets ne ressemblaient à ceux d’aucune étoile connue. On y voyait des raies spectrales en émission, dont les longueurs d’onde ne correspondaient pas à celles des éléments communs, superposées à un continuum qui, par rapport à celui des étoiles, présentait un fort excès de lumière ultraviolette. On a appelé ces objets radiosources quasi stellaires (en angl. quasi-stellar radiosources), ce qui, par contraction de l’expression anglaise, a donné naissance au mot quasar. Or, ces raies sont celles qui caractérisent les éléments les plus communs (hydrogène, oxygène, magnésium, etc.) et qui sont observées dans les nébuleuses galactiques, mais affectées d’un décalage vers le rouge très important, décalage dû peut-être à une vitesse d’éloignement très grande de l’objet par rapport à l’observateur (effet Doppler-Fizeau). Si on observe une raie spectrale de longueur d’onde λ dont on sait qu’au laboratoire elle aurait une valeur λ₀, le décalage spectral z est la quantité Lorsque ce décalage z est relativement petit (z < 0,3), il est lié à la vitesse de l’objet par la relation

la quantité c étant la vitesse de la lumière, égale à 300 000 km/s, et v la vitesse de l’objet étudié, positive si l’objet s’éloigne, négative s’il s’approche de l’observateur. Lorsque la vitesse v se rapproche de la vitesse de la lumière, cette relation devient plus complexe, à cause des effets relativistes. Le spectre de toutes les galaxies subit un décalage vers le rouge, d’autant plus important que la galaxie est moins brillante, c’est-à-dire plus lointaine. Cette propriété a permis de mettre en évidence le phénomène de l’expansion de l’Univers. Dans le cas des quasars, à éclat égal, leur décalage vers le rouge est toujours beaucoup plus élevé que celui d’une galaxie, ce qui indique qu’un quasar est plus éloigné qu’une galaxie de même brillance, donc intrinsèquement plus brillant. Les quasars sont, en moyenne, 100 fois plus brillants que les galaxies elliptiques géantes, qui étaient les entités connues les plus brillantes de l’Univers.

Les quantités d’énergie émises par les quasars sont gigantesques ; la nature et la source de cette énergie sont encore totalement inexpliquées ; c’est ce qui en fait le principal mystère et ce qui a nourri la controverse au sujet de leur distance. Dans l’hypothèse où le décalage spectral vers le rouge des raies d’émission des quasars est dû à l’expansion de l’Univers, ce décalage permet une mesure de leur distance. Les distances obtenues sont alors énormes. La distance du quasar le plus lointain connu, appelé OQ 172, et qui a pour décalage spectral z = 3,53, est d’environ 13,5 milliards d’années de lumière. Ce quasar est donc vu tel qu’il était 1,5 milliard d’années après la naissance de l’Univers que l’on situe à 15 milliards d’années. C’est parce que ces distances sont très grandes que l’énergie émise par les quasars est considérable. Ces quantités d’énergie peuvent être réduites dans de très grandes proportions si on suppose que les quasars sont relativement proches et que le décalage spectral a une autre origine que l’expansion de l’Univers. Deux hypothèses ont été proposées. On a pensé que ces objets pouvaient être animés de vitesses très élevées, voisines de celle de la lumière, par rapport aux objets qui les entourent ; il s’agirait alors d’une vitesse propre, indépendante de l’expansion de l’Univers. On a aussi attribué ces décalages spectraux à l’effet Einstein, chaque photon émis par un quasar supposé extrêmement massif perdant une fraction de son énergie (la longueur d’onde associée augmentant) pour échapper au champ gravitationnel qui régnerait à la surface des quasars, de la même façon que les fusées spatiales perdent une partie de leur énergie pour échapper au champ gravitationnel terrestre. Ces deux théories, dites « locales », par opposition à la théorie cosmologique, rencontrent aussi de grosses difficultés, à tel point que la majorité des astronomes les ont abandonnées.

Propriétés radioélectriques

Les quasars ont pu être classés en deux catégories principales en fonction de leur structure radioélectrique.

• Dans l’une des classes, on trouve des radiosources doubles, symétriquement situées par rapport à l’« étoile », la séparation des composantes se mesurant par dizaines de milliers d’années de lumière et leurs dimensions par milliers d’années de lumière. La quantité d’énergie émise par ces objets décroît régulièrement avec la longueur d’onde sur toute l’étendue du domaine radioélectrique et elle est indépendante du temps.

• Dans l’autre classe, on a rassemblé les quasars qui sont tels que l’« étoile » coïncide exactement avec une ou plusieurs composantes radioélectriques de très faibles dimensions, ne dépassant pas quelques années de lumière. Le spectre de ces objets est complexe, c’est-à-dire que l’énergie émise n’est pas une fonction monotone de la longueur d’onde ; de plus, elle est souvent variable et parfois très rapidement. On peut observer des facteurs de variation de l’ordre de deux ou plus en quelques mois, voire en quelques semaines, les objets optiques associés étant souvent eux-mêmes variables.

L’émission radioélectrique des quasars, comme celle d’ailleurs des radio-galaxies, est attribuée à l’effet synchrotron, c’est-à-dire au rayonnement d’électrons superrelativistes accélérés dans un champ magnétique. Le mécanisme d’accélération de ces particules est totalement inconnu, comme l’est la nature de l’émission optique de ces objets et aussi des variations d’intensité observées. En revanche, la théorie de l’effet synchroton a permis d’expliquer de façon satisfaisante l’évolution dans le temps des radiosources, en particulier les variations du flux radioélectrique. Cependant, l’émission radioélectrique des quasars n’est qu’un effet secondaire n’apportant que peu de renseignements sur la nature du phénomène fondamental.