Un blazar est une source d’énergie très compacte et très variable associée à un trou noir au centre d’une galaxie. Les blazars font partie des phénomènes les plus violents de l’univers et constituent un sujet important de l’astronomie extragalactique.
Les blazars sont un type particulier de noyau actif de galaxie (AGN), caractérisé par l’émission d’un jet relativiste.
Vue d’ensemble
Il est désormais admis qu’un blazar est un quasar, à ceci près que son jet est orienté dans la direction de la Terre. Le fait que nous observions le jet pointé directement sur nous explique à la fois l’intensité, la variabilité rapide et les caractéristiques des différents types de blazars. De nombreux blazars semblent connaître des vitesses superluminales dans les premiers parsecs de leur jet, probablement en raison de fronts d’ondes de choc relativistes.
Les blazars ne constituent pas un groupe homogène. Ils sont divisés en deux groupes :
Le nom « blazar » a été inventé en 1978 par l’astronome Edward Spiegel pour désigner la combinaison de ces deux classes. Certains de ces objets peuvent être des blazars intermédiaires, possédant des propriétés des deux classes.
L’image généralement acceptée de ces quasars OVV est qu’ils sont intrinsèquement de puissantes radiogalaxies, tandis que les objets BL Lac sont fondamentalement de faibles radiogalaxies. Dans les deux cas, il s’agit de galaxies elliptiques géantes.
D’autres modèles, comme celui de la microlentille gravitationnelle, peuvent expliquer certains blazars dont les propriétés diffèrent des modèles généraux.
Les trous noirs sont également considérés comme formant des blazars lorsque leurs jets de plasma sont visibles. On pense que les quasars (et les blazars) sont caractéristiques des premiers stades de l’évolution des galaxies. Cela explique pourquoi nous ne les observons qu’à des distances de plusieurs milliards d’années-lumière (et donc très anciens).
Les galaxies qui contiennent un noyau actif (AGN) sont également appelées galaxies actives.
En juillet 2018, un blazar appelé TXS 0506+056 a été identifié comme la première source de neutrinos de haute énergie atteignant la Terre grâce au projet IceCube.
Structure
On pense que les blazars, comme tous les noyaux actifs de galaxie (AGN), sont alimentés par la matière tombant sur un trou noir supermassif au centre de la galaxie hôte. Le gaz, la poussière et les étoiles occasionnelles sont capturés et transportés en spirale vers le trou noir central, créant un disque d’accrétion chaud qui génère d’énormes quantités d’énergie sous forme de photons, d’électrons, de positrons et d’autres particules élémentaires. Cette région est relativement petite, environ 10-3 parsecs.
Il existe également un toroïde opaque plus large qui s’étend sur plusieurs parsecs à partir du trou noir et qui contient du gaz chaud avec des régions intégrées de densité plus élevée. Ces « nuages » peuvent absorber et réémettre l’énergie des régions plus proches du trou noir. Sur Terre, les nuages sont détectés comme des lignes d’émission dans le spectre du blazar.
Perpendiculairement au disque d’accrétion, une paire de jets relativistes transporte du plasma hautement énergétique loin de l’AGN. Le jet est collimaté par une combinaison de champs magnétiques intenses et de vents puissants provenant du disque d’accrétion et du tore. À l’intérieur du jet, les photons et les particules de haute énergie interagissent entre eux et avec le puissant champ magnétique. Ces jets relativistes peuvent s’étendre jusqu’à plusieurs dizaines de kiloparsecs du trou noir central.
Toutes ces régions peuvent produire une grande variété d’énergie observée, principalement sous la forme d’un spectre non thermique allant de la radio à très basse fréquence aux rayons gamma extrêmement énergétiques, avec une forte polarisation (typiquement quelques pour cent) à certaines fréquences. Le spectre non thermique se compose de rayonnement synchrotron dans la gamme radio à rayons X, et d’émission Compton inverse dans la région des rayons X à gamma. Dans les quasars OVV, il existe également un spectre thermique qui culmine dans la région ultraviolette et des lignes d’émission optique faibles, mais elles sont faibles ou absentes dans les objets BL Lac.
Effets de faisceau relativiste
L’émission observée d’un blazar est considérablement renforcée par les effets de la relativité spéciale sur le jet, un processus appelé « faisceau relativiste ». La vitesse globale du plasma qui constitue le jet peut être de l’ordre de 95 à 99 % de la vitesse de la lumière, bien que les particules individuelles se déplacent à des vitesses plus élevées dans diverses directions.
Le rapport entre la luminosité émise dans le cadre du jet au repos et la luminosité observée depuis la Terre dépend des caractéristiques du jet. Il s’agit notamment de savoir si la luminosité provient d’un front de choc ou d’une série de points plus brillants dans le jet, ainsi que des détails des champs magnétiques à l’intérieur du jet et de leur interaction avec les particules en mouvement.
Un modèle simple du faisceau illustre les effets relativistes de base qui relient la luminosité dans le reste du jet, Se, et la luminosité observée sur Terre, So : So est proportionnel à Se × D2, où D est le facteur Doppler.
Une analyse plus détaillée fait intervenir trois effets relativistes :
Soit un jet dont l’angle par rapport à la ligne d’observation est de θ = 5° et dont la vitesse est égale à 99,9 % de la vitesse de la lumière. La luminosité observée depuis la Terre est 70 fois plus grande que la luminosité émise. Cependant, si θ est à la valeur minimale de 0°, le jet apparaîtra 600 fois plus lumineux lorsqu’il sera observé depuis la Terre.
Le faisceau relativiste a également une autre conséquence critique. Le jet qui ne s’approche pas de la Terre apparaîtra plus faible en raison des mêmes effets relativistes. Par conséquent, deux jets intrinsèquement identiques apparaîtront significativement asymétriques. Dans l’exemple ci-dessus, tout jet dans lequel θ>35° sera observé sur Terre comme étant moins lumineux qu’il ne le serait depuis le cadre de repos du jet.
Une autre conséquence est qu’une population d’AGN intrinsèquement identiques, dispersés dans l’espace avec des orientations de jet aléatoires, sera perçue comme une population très inhomogène sur Terre. Les quelques objets où θ est petit auront un jet très brillant, tandis que les autres auront apparemment des jets beaucoup plus faibles. Les objets pour lesquels θ varie de 90° semblent avoir des jets asymétriques.
C’est l’essence même du lien entre les blazars et les radiogalaxies. Les AGN dont les jets sont orientés près de la ligne de visée de la Terre peuvent apparaître extrêmement différents des autres AGN, même s’ils sont intrinsèquement identiques.