Un trésor cosmique à 12 milliards d’années-lumière
Parfois, l’univers réserve des surprises qui ravissent les astronomes. C’est le cas d’une découverte monumentale : la plus grande et la plus lointaine réserve d’eau jamais observée dans le cosmos. Au cœur de cette trouvaille se trouve un objet céleste nommé APM 08279+5255. Il s’agit d’un quasar, c’est-à-dire une galaxie active dont le trou noir supermassif central se nourrit de gaz et libère en retour des quantités colossales de lumière.
La masse d’eau détectée est tout simplement vertigineuse. Elle équivaut à environ 140 mille milliards de fois la totalité de l’eau contenue dans les océans de notre planète. Cette immense réserve enveloppe un trou noir supermassif insatiable, situé à plus de 12 milliards d’années-lumière de la Terre. Observer un tel phénomène revient à regarder dans le passé, à une époque où l’univers était encore jeune.
Une découverte menée par deux équipes distinctes
Cette découverte est le fruit du travail de deux équipes de chercheurs. Matt Bradford, scientifique au Jet Propulsion Laboratory de la NASA à Pasadena, en Californie, dirigeait l’une d’elles. Il souligne le caractère exceptionnel de cet environnement cosmique : « L’environnement autour de ce quasar est tout à fait unique en ce qu’il produit cette énorme masse d’eau », a-t-il déclaré. « C’est une autre démonstration que l’eau est omniprésente dans l’univers, même aux tout premiers temps. »
Une seconde équipe, menée par Dariusz Lis, chercheur associé senior en physique à Caltech et directeur adjoint de l’Observatoire submillimétrique de Caltech, a utilisé l’Interféromètre du Plateau de Bure, dans les Alpes françaises, pour repérer l’eau. Ils ont détecté par hasard la présence de vapeur d’eau dans APM 08279+5255 grâce à une seule signature spectrale. C’est l’équipe de Bradford qui, plus tard, a identifié plusieurs raies spectrales de l’eau, révélant bien plus de détails, notamment la masse colossale du nuage gazeux.
Le décalage vers le rouge : une machine à remonter le temps
Pour sonder le passé de l’univers, les astronomes utilisent une mesure clé : le décalage vers le rouge, ou « redshift ». Alors que l’espace lui-même est en expansion, la lumière qui le traverse s’étire également. Cet étirement décale sa couleur vers l’extrémité rouge du spectre lumineux. Le redshift mesuré pour ce quasar est d’environ z ≈ 3,87.
Une telle valeur place APM 08279+5255 dans l’univers primitif. Elle permet d’estimer que nous l’observons tel qu’il était il y a plus de dix milliards d’années. À cette époque, la plupart des galaxies étaient encore petites, poussiéreuses et peu lumineuses. Pourtant, ce quasar déroge à la règle. Sa brillance inhabituelle, tant en lumière visible qu’en infrarouge lointain, suggère que sa lumière est amplifiée par plus d’un processus physique avant de nous parvenir.
Un quasar de type « BAL » et ses vents cosmiques
APM 08279+5255 appartient à une classe spécifique de quasars, les « BAL », acronyme de « Broad Absorption Line Quasar » (quasar à larges raies d’absorption). Concrètement, cela signifie que son spectre lumineux présente de larges creux, comme si quelque chose avait « absorbé » une partie de la lumière. Ces creux sont créés par des vents de gaz extrêmement rapides.
Ce gaz est éjecté de la région centrale à des vitesses de plusieurs milliers de kilomètres par seconde et absorbe une partie de la lumière émise derrière lui. Ces vents offrent une vue directe sur un phénomène appelé « rétroaction » (feedback). La vapeur d’eau et les autres matériaux qui tombent vers le trou noir peuvent aussi être propulsés vers l’extérieur, chauffant et repoussant le gaz environnant. Cette activité intense façonne la manière dont les étoiles se forment et dont la galaxie hôte évolue.
L’énigme d’une luminosité hors-norme
Quelle est la puissance réelle de ce quasar ? Les premières estimations de sa luminosité bolométrique – sa puissance totale sur toutes les longueurs d’onde – se situaient dans la fourchette de plusieurs quadrillions de fois la luminosité de notre Soleil. Des chiffres si élevés qu’ils imposent une vérification. Le quasar est-il vraiment aussi puissant, ou un phénomène situé sur notre ligne de visée amplifie-t-il sa brillance apparente ?
Lorsque des objets semblent trop lumineux pour leur distance, les astronomes suspectent un effet de lentille gravitationnelle. Ce phénomène se produit lorsque des objets massifs, comme une galaxie, courbent l’espace-temps autour d’eux et peuvent ainsi amplifier la lumière des sources situées en arrière-plan. Si une galaxie se trouve presque directement entre nous et un quasar lointain, la lumière de ce dernier peut être intensifiée, voire divisée en plusieurs images. Justement, les images d’APM 08279+5255 montrent une source qui n’est pas parfaitement ponctuelle : elle apparaît légèrement allongée, comme si deux images très proches se fondaient l’une dans l’autre.
La loupe de la gravité : un télescope naturel
Pour tester cette hypothèse, les chercheurs ont utilisé un modèle de lentille simple, une sorte de « modèle de départ » pour une galaxie plausible au premier plan. Les résultats suggèrent que la lumière visible du quasar pourrait être amplifiée par un facteur d’environ 40. C’est une augmentation considérable. Mais même après avoir corrigé cet effet et « démagnifié » le flux observé, le quasar brille encore avec une puissance intrinsèque prodigieuse, de l’ordre d’au moins cent mille milliards de soleils.
Il est important de comprendre qu’une lentille gravitationnelle ne crée pas d’énergie ; elle la redirige et la concentre. Le trou noir et son carburant produisent déjà une puissance phénoménale. La lentille permet simplement à une plus grande partie de cette puissance d’atteindre nos détecteurs sur Terre.
Poussière, radio et rayons X : les pièces du puzzle
La luminosité seule ne raconte jamais toute l’histoire. Les scientifiques ont donc comparé la lumière du quasar sur de nombreuses longueurs d’onde. Sa distribution spectrale d’énergie (SED) montre une forte émission dans l’infrarouge lointain ainsi que dans le visible. Ce profil est le signal d’un système riche en poussière : la poussière proche du noyau actif absorbe le rayonnement énergétique et le réémet à des longueurs d’onde plus longues.
La SED d’APM 08279+5255 ressemble également à celle d’un autre quasar BAL connu pour être affecté par une lentille gravitationnelle, ce qui renforce cette interprétation. Par ailleurs, les mesures radio et en rayons X correspondent aux attentes pour les quasars BAL. L’objet est considéré comme radio-silencieux, avec une émission radio modeste, et les précédentes observations du ciel entier n’avaient pas détecté de forts rayons X en provenance de sa position. Ces caractéristiques aident à classer fermement APM 08279+5255 dans la famille des BAL.
Les leçons d’un géant cosmique
Cette découverte nous pousse à réexaminer nos archives astronomiques. Le catalogue IRAS Faint Source Catalog est immense, et de nombreuses entrées n’ont jamais fait l’objet d’un suivi spectroscopique complet. Si APM 08279+5255 et quelques autres sources extrêmes s’avèrent être vues à travers des lentilles gravitationnelles, alors le catalogue pourrait encore cacher des galaxies et des quasars distants, poussiéreux et hyperlumineux, qui n’apparaissent que parce que la lentille les rend visibles au-dessus des limites de détection.
Cette possibilité est cruciale pour l’étude de l’univers primitif. Les lentilles gravitationnelles agissent comme des télescopes naturels, augmentant notre sensibilité effective et révélant des détails que nous manquerions autrement à de si grandes distances. En croisant les données des relevés optiques, infrarouges et radio, nous pouvons dénicher d’autres cas similaires et affiner notre compréhension de la croissance des trous noirs et de l’assemblage des galaxies dans les premiers milliards d’années.
Les études de ce quasar montrent qu’il y a assez de gaz, sous forme de vapeur d’eau et d’autres molécules comme le monoxyde de carbone, pour permettre au trou noir de multiplier sa taille actuelle par six. Cependant, les astronomes notent que ce n’est pas une certitude : une partie du gaz pourrait se condenser pour former de nouvelles étoiles ou être complètement soufflée loin du quasar. Au final, chaque nouvelle découverte de ce type est une fenêtre ouverte sur la jeunesse de notre univers, et sur la façon dont la gravité elle-même nous aide à l’étudier.
Le document de Bradford, intitulé « The water vapor spectrum of APM 08279+5255 », compte parmi ses coauteurs Hien Nguyen, Jamie Bock, Jonas Zmuidzinas et Bret Naylor du JPL ; Alberto Bolatto de l’Université du Maryland, College Park ; Phillip Maloney, Jason Glenn et Julia Kamenetzky de l’Université du Colorado, Boulder ; James Aguirre, Roxana Lupu et Kimberly Scott de l’Université de Pennsylvanie, Philadelphie ; Hideo Matsuhara de l’Institut des sciences spatiales et astronautiques au Japon ; et Eric Murphy de l’Institut Carnegie pour la science, Pasadena. Le financement de Z-Spec a été assuré par la National Science Foundation, la NASA, la Research Corporation et les institutions partenaires. L’étude complète a été publiée dans la revue Astrophysical Journal Letters.
Selon la source : earth.com
Un trou noir découvert contenant suffisamment d’eau pour remplir ‘des trillions d’océans de la taille de la Terre’
