...Et des quasars

Mais NGC 936 et NGC 941 vont surtout nous permettre d'introduire l'existence de phénomènes d'expulsions de quasars par leur galaxie.

Comment expliquer qu'une galaxie puisse expulser ses quasars ?

Pour cela, il faut rappeler plusieurs éléments importants. Tout d'abord, il existe deux théorèmes qui stipulent 1) que tout déplacement d'objets dans l'espace qui conserve sa forme est une composition de translation et de rotation, et 2) que l'invariance des lois de la mécanique par des translations et des rotations est reliée à la conservation de la quantité de mouvement et du moment cinétique (théorème d'Emmy Noether publié en 1918, lié à la notion de symétrie et de groupe en mathématique, qui fut qualifié par Albert Einstein de « monument de la pensée mathématique »). Ensuite, il faut savoir que les lois de conservation établies pour des corps matériels sont aussi valables pour les champs de forces qui s'exercent sur eux. L'exemple traditionnel de la conservation conservation du mouvement de translation est celui de la boule de billard qui en percute une seconde, la conservation du mouvement de rotation étant celui de la patineuse qui, tournant sur elle-même, tourne plus vite en rapprochant les bras de son corps et inversement.

Autrement dit, la conservation totale des quantités de mouvement et de moment cinétique passe par des quantités de mouvement et de moment cinétique, y compris pour des champs électromagnétiques et de gravitation. Ou encore : la lumière et les ondes gravitationnelles transportent donc de la quantité de mouvement et du moment cinétique qu'elles peuvent prendre ou donner à des corps.

Prenons maintenant le cas de la fusion d'un trou noir binaire, comme celles qui sont observées par Advanced LIGO et Advanced VIRGO.

Ces trous noirs binaires rayonnent des ondes gravitationnelles et perdent donc de l'énergie, de sorte que la largeur de leur orbite diminue et qu'ils finiront inévitablement par entrer en collision. Les ondes gravitationnelles émises emportent également du moment cinétique mais il se trouve que lorsque les masses des trous noirs sont différentes, l'émission d'ondes gravitationnelles ne se fait pas "à symétrie sphérique", de sorte qu'il y a une émission plus intense dans une certaine direction. Au moment final de la collision entre les deux trous noirs, le trou noir binaire émet un faisceau d'ondes gravitationnelles, emportant de la quantité de mouvement, exactement comme l'éjection de gaz par une fusée ; le trou noir final peut donc se retrouver propulsé dans la direction opposée, sa quantité de mouvement étant en relation avec celle emportée par les ondes (et de sorte que la somme totale des quantités de mouvement soit conservée). Dans certains cas, la vitesse acquise par le trou noir résultant peut être vertigineuse, de l'ordre de 5.000 km/s, ce qui est largement suffisant pour lui permettre de quitter la galaxie qui l'abritait.

Ici, NGC 936 et sa voisine NGC 941 montrent l’une et l’autre exactement ce phénomène, mis en évidence par Arp dès 2006, où, à l’époque, il n’avait pu que constater en émission radio, optiques et émission X l'association de ces deux galaxies actives à faible décalage vers le rouge avec des quasars à fort décalage vers le rouge mais sans pouvoir en expliquer la cause (il remarquait des éventuelles interactions des quasars avec les bras spiraux, qui, soit guideraient leur éjection soit seraient causés par leur éjection, l’étude s'appuyant aussi sur les interactions de NGC 613 qui présente plusieurs paires de quasars, et, incidemment, plusieurs bras asymétriques).

Ainsi, Arp faisait tout d’abord remarquer qu’une paire de quasars à valeur de redshift élevée et similaire se trouvait sur une ligne passant par NGC 936, comme s’ils avaient été éjectés "en miroir" (comme le montre sur le schéma 1 ci-dessus, qui représente deux cartes SIMBAD où ont été annotées les différents quasars du ciel en périphérie de NGC 936 à 15 et à 50’ de rayon, et où l’on voit que la source X la plus forte coïncide avec le puissant quasar radio de z = 2,04. De l'autre côté de NGC 936 se trouve le quasar z = 2,18, qui est proche d'une source X plus petite). Après avoir estimé que la probabilité de survenue de cet aspect était très faible (p = 0.0014), Arp notait qu’il existait une émission de source radio X le long de la barre de NGC 936 s'étendant à l'ESE de la galaxie, le noyau de la galaxie étant lui-même une source radio ponctuelle sur la carte radio en haute résolution (lui confirmant son statut de galaxie active, qui était incertain à l’époque). Il notait ensuite que les contours externes s'étendaient de cette source radio centrale au SE, vers le quasar à émission X comme le montre le schéma 2 ci-dessus (une carte de contours d'émission X extraite des données de l'Einstein Observatory Image Proportional Counter (IPC), extraites du catalogue Einstein Observatory Catalog (EOSCAT) of IPC X-ray Sources). Enfin, sur le schéma 3 (une carte radio NVSS - National Radio Astronomy Observatory (NRAO) Very Large Array (VLA) Sky Survey - centrée sur NGC 936) il montrait des radio-isophotes allongés de NGC 936 le long de la direction de la paire voisine de quasars z ∼ 2, avec un allongement plus marqué dans la direction du quasar z = 2,04, une source radio PKS très puissante (vue au coin SE du schéma).  De la même façon, Arp montre sur le schéma 4 un continuum radio étendu de NGC 941 vers le bas, et enveloppant le quasar z = 1.130 à environ 2’ au sud.

Il avait déjà été constaté à l'époque qu'il existait des sources de rayons X et des sources radio compactes en dehors des galaxies, et / ou que les quasars avaient tendance à se former par paires équidistantes et alignées, les deux quasars se ressemblant étroitement par le redshift. La question qui se posait était donc de savoir comment ces sources étaient arrivées à cet endroit, et comment pouvait s’expliquer de tels décallages vers le rouge.

Vous avez aujourd’hui la réponse.