Etude du Quasar APM 08279+5255

Le fameux quasar APM 08279+5255 un objet lointain au confin de l'Univers !

I - Présentation du Quasar APM 08279+5255 :

Sa position est RA: 08 31 41.70  DEC: +52 45 17.5 dans la constellation du Lynx. 

Sa magnitude est de 15,2 donc c'est un objet extrêmement faible. 

Voici une photo prise par le télescope Chandra dans les rayons X.

Credit: Illustration: CXC/M.Weiss; X-ray: NASA/CXC/PSU/G.Chartas (à noter que pour l'obtenir il a fallut 25h..) http://chandra.harvard.edu/photo/2003/apm08279/index.html

La double image d' APM 08279+5255 est causée par la flexion de sa lumière par une galaxie intermédiaire, un effet appelé lentille gravitationnelle.

Cet effet magnifie également la lumière du quasar de 100 fois permettant une étude détaillée de ses propriétés même si sa distance est de 12 milliards de lumière.

Rappel de ce qu'est une Lentille Gravitationnelle : 

L'idée de base de la relativité générale est que la matière, par sa masse, courbe l'espace. Ainsi, une planète orbitant autour d'une étoile n'est pas soumise à une force de gravitation mais circule librement sur un espace courbé par l'étoile. Il s'ensuit que la lumière, bien que dépourvue de masse, est également déviée par la présence d'un corps massif. Si un corps massif se situe entre une galaxie lointaine et un observateur, celui ci va donc dévier la lumière de la galaxie et déformer son image. C'est ce qu'on appelle une lentille gravitationnelle.

(Credit: NASA/CXC/M.Weiss)

Les observations de Chandra révèlent l'évidence de vents à grande vitesse soufflant le gaz loin du trou noir supermassif qui actionne le quasar APM 08279 + 5255. Cette découverte suggère que de tels vents peuvent jouer un rôle clé dans la régulation de la croissance des trous noirs supermassifs dans les centres des galaxies.

Les données Chandra impliquent que le vent souffle loin du trou noir à des vitesses aussi élevées que 40% de la vitesse de la lumière, beaucoup plus vite que prévu. Comme le gaz tourbillonne dans un disque vers le trou noir, il est chauffé à des millions de degrés Celsius et produit un rayonnement X intense. La pression des rayons X éloigne la matière de la partie interne du disque de la même façon que la pression d'un tuyau d'arrosage éloigne la saleté d'une allée. Cet effet de pression de rayonnement peut limiter de façon significative la quantité de matière capturée par le trou noir.

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II - Etude astrophysique du Quasar APM08297+5255 :

L'instrumentation spectrographe Alpy600

Un coup d'oeil dans la caméra de guidage qui doit localiser le quasar. La pose est de 15 secondes. Pour donner un ordre de luminosité des étoiles, l'étoile TYC-2 3797-1900-1 à une magnitude de 11.357 c'est assez faible (10 000 fois moins lumineu que l'étoile Véga). Le quasar est tout en bas presque invisible. Pourtant il faudra le mettre précisement et le mieux possible dans la fente du spectrographe qui fait 3 pixels de large...

Voici le spectre obtenue du Quasar APM 08279+5255 dans un télescope amateur Celestron 8 de 20cm de diamètre et d'une focale de f1260mm.

A noter les poses 7 poses extrêmes d'une durée de 1200 secondes en pleine ville. Il faut dire aussi que sa recherche fut facilité par l'éclairage public qui était éteint lors de la recherche de 3h mais rallumé vers 6h pour les 2 dernières poses, et aussi l'absence de lune (sinon mission impossible)

_apm08297_5255_20161030_133_EBE

Spectre extrêmement bruité vu la faiblesse de l'objet, mais on distinge bien la raie Lyman alpha et NV, ainsi que "la forêt de Lyman".

La raie Lyman alpha est une raie très large et asymétrique liée à la diffusion résonnante dans un milieu en expansion. Elle est émise à 1216 angstroms et dans le spectre elle se trouve proche des 6000A. On note à gauche de la raie, des encoches dans le spectre correspondant à l'absorption par de petits nuages contenant un peu de gaz le long de la ligne de visée. On appelle cela la forêt de Lyman.

Le fait que la lumière de cette forêt ne soit pas complètement absorbée révèle que le quasar est plus vieux qu' 1 millard d'années, sans quoi cette lumière serait absorbée, alors il n'y aurait pas de signal dans le spectre et il serait plat à cet endroit. Le fait que le signal soit absorbé est l'effet que l'on appelle Gunn-Peterson qui se voit à des quasars de redshift z=6 et qui trahit que l'univers contenait encore beaucoup de gaz neutre à cette époque. Au tour de z=6 soit 1 milliard d'années après le Big Bang, le gaz de l'univers a fini d'être réionisé par la lumière des premières galaxies. La largeur de la dépression de Gunn-Peterson donne une information sur la profondeur en redshift, et donc la durée écoulée depuis l'époque du quasar, pendant laquelle le gaz de l'univers était encore neutre.

(renseignement trouvés dans la partie de Bruno Guiderdon "Les premières galaxies et la fin de l'âge sombre" : livre : "Galaxies et cosmologies" par Françoise Combres, Misha Haywood, Suzy Collin, Florence Durret, Bruno Guiderdoni)

Informations du Quasar sur Simbad :

Avec la raie NV à 1241A qui arrive à 6028A sur le spectre, on trouve un redshift de 3.8573 assez proche du 3.91 de Simbad (télescope de 20 cm de diamètre):

z = ((λ₁ - λ₀) / λ₀)        (λ avec en Angstrom) 

z = (6028 - 1241) / 1241

z = 3.8573

d'ou une vitesse relativiste de :

Vr = c x [((z+1)^2 - 1) / ((z+1)^2 + 1)]

Vr = 299792.458 x [((3.8573+1)^2 - 1) / ((3.8573 +1)^2 + 1)]

Vr = 299792.458 x (22.59 / 24.59)

Vr = 275 409 km/s [+/- 50km/s]

La distance de regard en arrière de 12.095 milliards d'années. Les photons sont partis quand l'Univers avait 1.625 milliards d'années (!!)

http://www.astro.ucla.edu/~wright/CosmoCalc.html

Avec l'expansion de l'univers cette distance (distance comobile) est maintenant réellement de 23.54 milliards d'années lumières.

Le facteur d'echelle est de :

a(t) = 1 / (1 +z)

a(t) = 1 / (1 + 3.8573)

a(t) = 0.2058

Ce qui veut dire que depuis le départ des photons l'Univers s'est agrandi de ~80 % !

On peut aussi calculer la température de l'Univers à l'époque ou les photons sont partis grace au redshift :

T(t0) / T(t1) = (1+z0) / (1+z1)
T(t0) x (1+z1) = T(t1) x (1+z0)
T(t1) = (T(t0) x (1+z1)) / (1+z0)
T(t1) = (2,725 x (1 + 3.8573) / (1+0)
T(t1) = 13.236 K

La température de l'Univers était de 13.236 K (plus ~5 (4.857) fois la température actuelle).

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III - Informations trouvées sur le Quasar APM08297+5255 :

Petite surpise : Un quasar « humide » dans l'univers jeune

https://www.cieletespace.fr/actualites/un-quasar-humide-dans-l-univers-jeune

Voici à quoi ressemble le quasar APM 08279+5255, autour duquel gravite une quantité phénoménale de vapeur d'eau. Crédit : NASA/ESA

De vastes quantités de vapeur d'eau ont été découvertes dans un quasar lointain, prouvant que l'Univers regorgeait déjà de la précieuse molécule, 1,7 milliard d'années après sa naissance.

140 000 000 000 000 océans terrestres

Constitué d'un trou noir 20 milliards de fois plus massif que le Soleil, dans lequel s'engouffre irrésistiblement le gaz alentour, APM 08279+5255 émet un million de milliard de fois plus d'énergie lumineuse que notre étoile.

L'analyse de son rayonnement par deux équipes indépendantes, l'une avec le télescope Z-Spec de Mauna-kea, l'autre grâce à l'interféromètre du plateau de Bure, montre qu'il recèle autant d'eau que 140 000 000 000 000 océans terrestres.

Un gaz ténu

Mais, sans la puissance phénoménale du quasar, le faible éclat de la vapeur d'eau n'aurait pu être découverte après un voyage de 12 milliards d'années à travers l'espace et le temps.

Les mesures indiquent que la densité du gaz est 300 000 milliards de fois moindre que celle de l'atmosphère terrestre. Étendue sur des milliers d'années-lumière, la quantité totale d'eau sous forme de vapeur dans APM 08279+5255 dépasse malgré tout celle de notre galaxie toute entière.

L'eau aux confins de l'univers