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Les Quasars - l'Univers en expansion

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Présentation des Quasars

Les quasars sont des astres fantastiques. Ils ne sont pas photogéniques. Ils ont l'apparence d'étoiles, le nom quasar est bien trouvé comme pour "quasi star". Ils sont très lointains, ils sont situés beaucoup plus loin que toutes les étoiles visibles de la Galaxie et pour être vu ainsi, ils sont nécessairement très énergétiques, ceux sont les astres les plus brillants de l'Univers en magnitude absolu. Ils ont aussi la particularité de ne plus exister aujourd'hui, ce sont des monstres cosmiques du passé ...

Histoire de la découverte des premiers quasars

L'histoire de la compréhension des quasars est liée aux évolutions technologiques du 20ème siècle. Tout a commencé avec l'utilisation de radio-télescopes dérivés de la recherche sur les radars de la fin de la seconde guerre mondiale, afin de cataloguer les sources radio dans le ciel. Les astronomes ont de grandes difficultés pour associer aux radio-sources un objet céleste comme une nébuleuse ou une galaxie. Aux débuts des années 60, par le jeu d'occultation par la Lune sur le N°273 du 3ème catalogue de Cambridge, les astronomes ont réussi à associer cette source à ... une "vulgaire" étoile de magnitude 12. Cet astre a été spectrographié, mais le spectre ne ressemble à aucune autre étoile : il y a des raies en émission non identifiées plutôt que des raies d'absorption commune à la majorité des étoiles ! Quel peut-être ce nouveau type d'étoile ?
En 1963, l'astronome néerlandais Maartin Schmidt trouve la réponse : les énigmatiques raies d'émissions sont identifiées à des raies d'hydrogène de la série de Balmer ... mais fortement décalées vers le rouge de 16 % , 3C273 d'apparence stellaire est situé très loin , à plus de deux milliards d'années-lumière, emporté sur l'espace en expansion. De la sorte, ce quasar si lointain est mille fois plus brillant qu'une galaxie comme la nôtre pour être vu à la magnitude 12. Une question principale se pose : quel est l'énergie qui peut provoquer une telle luminosité ?

L'effet Doppler

L'effet Doppler (1842) permet de détecter et mesurer un mouvement radial d'un astre.
Si une source lumineuse s'éloigne d'un observateur, les ondes électromagnétiques sont étirées et la longueur d'ondes atteignant l'observateur est plus grande que celle émise par la source. Chaque crête successive d'onde est émise d'une distance légèrement supérieure et met ainsi plus de temps que la précédente à atteindre l'observateur.
Dans le cadre d'un quasar qui est déplacé par un espace en expansion qui le porte, la longueur d'ondes du quasar augmentera au fur et à mesure que l'espace augmentera en conséquence vue par un observateur. L'observateur peut comparer les longueurs d'ondes des divers constituants chimiques du quasar "dans un état immobile", avec celles d'un quasar lointain s'éloignant rapidement à cause de l'expansion de l'Univers. Les raies d'émissions d'un constituant chimique très abondant comme l'hydrogène, auront des longueurs d'ondes plus grandes comme des ondes qui se décalent et se dilatent vers le rouge.

Observation et acquisition du spectre du quasar historique 3C273 pour mesurer son Redshift

L'identification de l'un des premiers quasars de l'histoire ( avec 3C48 ) est aujourd'hui possible avec un équipement amateur depuis plus de vingt ans.

3C273 est situé dans la constellation de la Vierge.

Avant de réaliser son spectre , il faut effectuer le spectre d'une étoile de référence afin d'étalonner la longueur d'ondes donnée par l'instrumentation, cette étoile est Denebola de la constellation du Lion de classe spectrale A3V adéquate pour bien identifier les raies d'absorption de l'hydrogène.

Le premier travail est ensuite d'identifier les raies d'absortion de l'hydrogène de la série de Balmer.
Sur la raie H alpha , en divisant sa longueur d'ondes de 6562 Angtroms par la distance mesurée sur le spectre de l'origine de l'étoile, dite ordre zéro jusqu'à la raie sombre associée ( ici 178 mm ) j'obtiens 6562/178=42.88 A/mm
Pour la distance avec la raie sombre associée avec H beta (113.5mm) j'obtiens 4860/113.5=42.82 A/mm
En moyennant ces deux résultats, j'obtiens 42.85A/mm, avec ce chiffre, on vient de réaliser l'étalonnage pour calculer les longueurs d'ondes identifiable sur le futur spectre de 3C273.

Extrait du cliché réalisé de 30 secondes de pose pendant 50 minutes , Atik Infinity en Binning 2X2 et un filtre Star analyser SA100

Spectre de l'image précédente et mise en fausse couleur pour mieux identifier les raies.

Pour être honnête, avec une connaissance préalable du décalage spectrale de 3C273 suite aux découvertes de 1963, j'arrive à identifier 3 raies de le série de Balmer et en multipliant les longueurs de l'ordre 0 à cette fois-ci j'usqu'aux raies d'émissions caractéristiques des quasars, j'obtiens les longueurs d'ondes de H alpha , H beta et H gamma :
Pour H alpha : 42.85 x 178 = 7627A
Pour H beta : 42.85 x 131 = 5613A
Pour Hgamma : 42.85 x 117.5 = 5035A

Je peux calculer le décalage spectrale Z qui est la différence de longueur d'onde entre un objet éloigné et un objet proche divisé par la longueur d'onde de l'objet proche :

Z pour H alpha : (7627A - 6562A)/6562A = 0.1623
Z pour H beta : (5613A - 4860A)/4860A = 0.1549
Z pour Hgamma : (5035A - 4340A)/4340 = 0.1601
En faisant une moyenne de ces 3 Z ; Z= (0.1623+0.1549+0.1601)/3 = 0.159
Le décalage spectrale mesurée vaut 0.159

En utilisant des formules relativistes, il reste à calculer la vitesse de récession que met le quasar pour s'éloigner de la Terre :

V=C x (((1+Z)²-1)/((((1+Z)²+1)= 300000km/sec x ((1.159² - 1)/(1.159² + 1))=
300000 x 0.1465= 43951 km/secondes ( soit la distance Terre-Lune parcourue en 7 secondes ! )

Et pour finir, en utilisant une formule cosmologiste pour un cas relativiste, il reste à calculer la distance de ce quasar depuis la Terre :

D=V/ H0 x 3.26 = (43951 / 73) x 3.26 = 1963000 al avec H0 de 73
D=V/ H0 x 3.26 = (43951 / 71) x 3.26 = 2018000 al avec H0 de 71

En fonction de la valeur de la constante de Hubble H0 en Kms/sec/Mparsecs qui varie en fonction des avancées scientifiques ( 73 en 2022 ) ;
le quasar 3C273 est situé environ à 2 milliards d'années lumière de la Terre.
Ce spectre a été réalisé sans traitements, sans pose unitaire longue, depuis la ville avec un télescope de diamètre modeste.
Dans les années 60, le plus grand télescope du Monde de l'époque, celui du Mont-Palomar en Californie ( un 5 mètre ou un 200inch de diamètre ) a été utilisé pour identifier ce nouveau type d'objet !
Plus de 60 ans après , dans l'époque du numérique, le but est ici de vérifier l'identité et le décalage spectral du quasar entré dans l'histoire en 1963. Observer indirectement l'expansion de l'Univers est aussi aujourd'hui accessible à un non astronome professionnel !

Observation d'un Quasar déformé par un mirage gravitationnel

Galaxie NGC3073 et le quasar jumeau QOS957+561 ( en bas à gauche ) dans la Grande Ourse

On connait les étoiles doubles qui sont des étoiles qui vivent réellement et physiquement en couple ( gravitationnellement parlant ). Cetaines étoiles doubles sont faussement liées ensemble car elles le sont optiquement par effet de perspective. Par contre, lorsque l'on parle de quasars doubles, ces objets qui ont l'apparence d'étoiles ( sont en fait, une manifestation de rayonnements très énergétiques émis depuis le centre de très anciennes/lointaines galaxies où loge un trou noir très actif ). L'explication de l'existence de ce quasar double ( en apparence ) est le fait d'un mirage gravitationnel d'un unique Quasar qui est dédoublé par une galaxie géante (non visible) située à mi-chemin entre ce quasar à 7,8 milliards d'al et nous. Effectuer les spectres de ces deux lumières permet de déterminer la nature de l'unique source lumineuse du quasar, il s'agit d'un beau challenge pour des astronomes amateurs expert, bien équipé et bien motivé. Quoi qu'il en soit, il reste possible pour la majorité des observateurs de détecter sur une photographie, le faible écart entre ces deux lumières et de se délecter d'observer une manifestation décrite par la relativité générale d'Albert Einstein ( La masse déforme l'espace-temps qui a son tour dévie le trajet lumineux du quasar en deux chemins distincts de l'espace-temps )

Spectre type d'un Quasar

On sait que les quasars rayonnent dans tous les domaines d'ondes. Ils ont été étudiés par des télescopes spatiaux comme par un télescope de 45cm f/d15 dédié à l'observation dans l'ultra violet de 115 à 325 Nm, l'International Ultraviolet Explorer en service de 1978 à 1996. Un spectre caractéristique et généraliste des quasars a été dressé pour pouvoir découvrir de nouveaux quasars ( de plus en plus lointains ) en reconnaissant des spectres provenant de l'ultra-violet ainsi fortement décalés vers le rouge.
Un quasar est répertorié comme QSO pour " Quasi Stellar Object "

On reconnait les principales raies d'hydrogène Ha, Hb et Hg qui composent le spectre de 3C273 décalé d'un Z de 0.16

Quasar lointain QSO B1422+2309

Un quasar QSO B1422+2309 de magnitude 15.85 et de Z 3.631 a été tenté d'être imagé, le but est de repérer la raie d'hydrogène émis depuis l'ultraviolet, la raie Lyman alpha !
Il est situé dans la constellation du Bouvier.

Observée le 25juin2022 vers 00h00, 33 minutes de 30 secondes de poses cumulées, au TN50/750, SA100, Atik Infinity

Sur l'image, les valeurs en mm sont les longueurs mesurées avec une règle directement sur l'écran de l'étoile ( le point 0 ) jusqu'à la raie identifiée par un ou plusieurs pixels brillants !

Calcul du décalage spectral Z pour Lyman Alpha, la partie attendue comme la plus brillante :

Z=5623/1216 - 1 =3.624

Calcul de Z pour NV ( pas identifiée avec certitude ):
Z=5761/1240 -1 =3.646

Calcul de Z pour SiIV+OIV ( la raie SiIV arrive même à émerger du spectre ! ) :
Z=6492/1400 -1 =3.637

Soit une moyenne de Z = 3.624+3.646+3.637 /3= 3.636

Si je retire le Z de la raie NV qui n'est pas précise :
Z=3.624+3.637 / 2 = 3.6305

à comparer avec le Z officiel qui est de 3.631, le résultat est conforme !

Le Calcul de la vitesse de récession donne :
V=C x (((1+Z)²-1)/((((1+Z)²+1)= 300000km/sec x ((4.632² - 1)/(4.632² + 1))=
Vc=0.91X300000Km/s= 273000 KM/sec

D = Vc/73 * 3.26 =12.2 milliards d'al par rapport aux 13.8 milliards d'al de distance depuis le Big Bang.

La distance dépasse les 12 milliards d'années lumière de la Terre, les photons détectés ont été émis 1,6 milliards d’années après la naissance de l'Univers.

Songez que de nos jours, détecter par un capteur numérique ( pas observer ! ) , un astre faiblement lumineux provenant du début de l'Univers, dans le ciel exquis de l'une des plus grandes villes de France, depuis une terrasse d'un immeuble avec un classique télescope d'astrophotographe débutant est possible !

Ce qui est aussi merveilleux c'est qu'avec l'aide de la science, l'observateur peut détecter et identifier l'objet, puis mesurer et calculer la distance qui le sépare du Quasar ainsi accessible.

Issu du calcul de son Redshift, la vitesse de fuite du Quasar devient tellement importante que nous ressentons l'extraordinaire manifestation de l'expansion de l'Univers qui a commencé à placer les Cosmologistes du siècle dernier sur la voie de la célèbre théorie du Big-Bang !

Les quasars très lointains ( situés à plus de 10 milliards d'années lumière ) sont identifiables par la présence de la forte raie Lyman alpha de l'hydrogène émis depuis l'ultraviolet.
Au delà de la raie Lyman alpha, il y a d'autres raies secondaires de la série de Lyman qui peuvent-être absorbées, formant la définition d'une " forêt de Lyman ". La "forêt de Lyman" est très étudiée par les professionnels qui analysent une quantité de raies d'absorption donnant des informations sur la concentration de gaz présent dans le milieu ambiant de l'espace des premiers milliards d'années lumière de l'Univers.

Arriver à identifier une raie Lyman alpha pour un astronome amateur, est fantastique car nous arrivons aux portes des études des astronomes professionnels. L'observation de l'Univers et même de l'expansion de l'Univers devient à la portée d'un astronome amateur ( pas débutant mais arrivant à un niveau intermédiaire )

Quasar QSO J1723+2243 dans Hercule

Le 6 septembre 2023, j'ai réussi à repérer lors d'une acquisition totale de 45 minutes, en binning 1X1 derrière un filtre rouge (domaine spectrale de 600-700nm correspondant à la présence de la raie Lyman Alpha de cet objet, vers 673 nm pour un décalage Z de 4.52 ) du quasar QSO j1723+2243 situé dans Hercule. L'objet est bien trop faible pour obtenir un bout de spectre avec un filtre spectrométrique. C'était l'occasion de fixer la limite de mon équipement dans un ciel urbain. La magnitude limite possible se situe entre la magnitude 18 et 19. La limite est aussi atteinte correspondant l'éloignement de cet objet astronomique, le décalage spectrale est de 4.52, ce qui donne une distance de la Terre d'au moins 12,5 milliards d'années ... le peu de photons récoltés ont été émis un bon milliard d'années après la naissance de l'Univers...

L'image obtenue a été transformée en fausse couleur, la photo en haut à gauche a été extraite de la carte en ligne des données SIMBAD de l'observatoire de Strasbourg qui est une aide précieuse pour pouvoir repérer ce quasar très faible.

J’ai eu l'inspiration d'étudier QSO B1422+2309 et QSO J1723+2243 grâce au site d’Etienne Bertrand http://astronomia-spectro.weebly.com/ .
Je salue le travail de ce spécialiste en spectroscopie qui utilise un spectroscope à fente Alpy600 de la marque Shelyak.
Son spectre ( extrême ) de QSO à Z=4.53 fait juste ressortir la zone de la raie Lyman Alpha du continuum bruité à 6730 A.

Obtenir un quasar d’un Z supérieur à 5 est trop compliqué car la source devient encore moins lumineuse et la raie LymanAlpha entre dans les longueurs d’ondes du proche infra-rouge ( domaine où le rendement quantique des caméras CCD chute ).
A l’image du télescope spacial James Webb , les détecteurs sont en infrarouge , refroidis et dans l’espace bien au-delà de l’atmosphère terrestre. Le télescope est ainsi paré pour repérer les premières galaxies à un Z de 13 !

Personnellement, à défaut d’obtenir une spectre impossible, je me suis justement inspiré des techniques instrumentales du Hubble space telescope ou du JWST pour mesurer les Z des galaxies les plus éloignées et donc peu lumineuses. Une galaxie a un spectre plus continu que celui d’un quasar qui s’étend vers les UV puis s’effondre à une limite appelée le mur de Lyman.
L’acquisition d’une image du ciel très profond s’effectue à travers un carrousel d’une collection de filtres calibrés à plusieurs longueurs d’ondes différentes. Sur plusieurs images du même champ de galaxies ,réalisés avec les différents filtres, si une galaxie disparait alors les astronomes repère la longueur d’onde atteinte et calcule ensuite le décalage Z.

Sur QSO J1723+2243 , j’ai eu l’idée de réaliser 3 acquisitions derrière un filtre bleu, vert et rouge. J’ai obtenu la trace du quasar derrière le filtre rouge où il y a le plus de rayonnement ( zone de la raie Lyman Alpha ) en 45 minutes. Il ne restait plus qu’à réaliser deux acquisitions de 45 minutes en bleu et en vert, pour ne voir aucune trace de ce quasar !

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Observer l'Univers - Les Quasars - l'Univers en expansion (Sciences - Astronomie) - Auteur : Frédéric - France

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dernière mise à jour : 2023-09-26

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