Les quasars représentent une étape de la vie d’une galaxie durant laquelle d’importants volumes de matière spiralent vers un trou noir supermassif central, libérant des quantités colossales d’énergie. À ce stade, le noyau galactique brille plus intensément que tout autre objet de l’univers, surpassant souvent le reste de sa galaxie hôte des centaines, voire des milliers de fois. Les quasars sont les centres extrêmement brillants des galaxies, alimentés par des trous noirs supermassifs en pleine activité. L’étude de ces objets peut aider les chercheurs à comprendre comment les trous noirs évoluent dans l’univers actuel. Cependant, en attirant gaz et poussières, ces trous noirs libèrent tellement d’énergie qu’ils peuvent éclipser des galaxies hôtes entières, ce qui rend leur étude difficile.
En 2026, le télescope spatial Euclid de l’Agence spatiale européenne a découvert 31 des quasars les plus anciens jamais observés. Deux de ces gigantesques noyaux galactiques, alimentés par d’énormes trous noirs, sont les quasars les plus anciens jamais observés dans l’histoire cosmique. Ils brillaient avec une luminosité équivalente à mille milliards de soleils lorsque l’univers avait 670 millions d’années, soit seulement 5% de son âge actuel.
Depuis des décennies, les scientifiques traquent les tout premiers quasars de l’Univers. Ces objets révèlent ce qui s’est passé aux premiers temps du cosmos, notamment la formation des premiers trous noirs supermassifs et des premières galaxies. Cependant, les quasars de cette époque sont difficiles à détecter. Ils sont rares car seules quelques galaxies ont atteint une taille suffisamment importante, et leur lumière primordiale est faible et facilement confondue avec celle d’étoiles plus proches de nous. L’article «Euclid: Découverte de 31 nouveaux quasars à 6,6 < z < 7,8» de D. Yang et al. a été publié le 6 juillet 2026 dans la revue Astronomy & Astrophysics.
Le télescope Euclid a découvert les quasars les plus anciens de l’Univers. ESA
Le télescope Euclid, lancé en 2023, explore plus en profondeur cette partie mystérieuse de l’histoire cosmique primitive et obtient des résultats passionnants. En 2026, il a découvert un nombre sans précédent de nouveaux quasars – 31 – dans l’Univers primordial, repoussant ainsi les limites de l’Univers à une époque où celui-ci n’avait que 5 % de son âge actuel, selon le service de presse de l’Agence spatiale européenne.
«Ces quasars primitifs remontent aux premiers temps de l’univers», explique Daming Yan, de l’université de Leiden aux Pays-Bas, principal auteur de l’article sur la découverte du quasar Euclid. «Leur découverte et leur étude nous permettent de mieux comprendre comment ces systèmes gigantesques se sont formés et ont connu une expansion si rapide – l’un des plus grands mystères de l’astrophysique.»
Les quasars les plus anciens connus jusqu’à présent ne représentaient que la partie émergée de l’iceberg: de rares anomalies brillantes, les plus faciles à détecter. En effet, on n’avait pas découvert suffisamment de quasars datant des premiers temps de l’Univers pour les étudier de manière exhaustive. Une nouvelle découverte du télescope Euclid change la donne, puisqu’elle englobe non seulement les anomalies brillantes, mais aussi la majorité des quasars anciens.
«Euclid représente une véritable avancée», ajoute Daming. «Auparavant, nous ne pouvions détecter que quelques-uns des quasars anciens les plus brillants, mais Euclid nous permet de les rechercher beaucoup plus efficacement sur de vastes portions du ciel, en capturant des lumières beaucoup plus faibles. C’est un outil unique pour la chasse aux quasars.»
Cette découverte ajoute 12 nouveaux quasars avec un décalage vers le rouge — une mesure de la distance et du mouvement lié à la façon dont la lumière se déplace dans le cosmos en expansion — de 7 ou plus, correspondant aux 770 premiers millions d’années de l’existence de l’univers.
Localisation de 31 nouveaux quasars euclidiens. ESA
Les deux quasars les plus anciens de ce groupe, EUCL J172902.75+641018.1 et EUCL J125308.55+705432.3, présentent des décalages vers le rouge respectifs de 7,77 et 7,69, établissant ainsi un nouveau record pour les quasars les plus anciens jamais découverts. Tous deux sont situés à un peu plus de 13 milliards d’années-lumière et se sont formés au cours des 670 premiers millions d’années de l’existence de l’Univers.
«Cette découverte fait plus que doubler le nombre de quasars anciens connus», déclare Antonio La Marca, chercheur à l’ESA et membre de l’équipe Euclid. Il a fallu plus de dix ans aux astronomes pour découvrir les dix premiers quasars environ présentant un décalage vers le rouge supérieur ou égal à 7, mais Euclid en a déjà découvert davantage en seulement un an.
«L’équipe d’Euclid a, pour la première fois, mené un véritable recensement des quasars à l’aube de l’univers», ajoute Antonio. «Il s’agit d’une avancée majeure vers une compréhension plus fondamentale de ces objets remarquables.»
Le deuxième quasar le plus ancien découvert par Daming et ses collègues a récemment fait l’objet d’une étude plus approfondie par Silvia Belladitta et ses collaborateurs. Ces observations ont révélé que le quasar se situe dans une galaxie poussiéreuse et gazeuse où se forment activement de nouvelles étoiles, suggérant qu’il pourrait s’agir de la galaxie hôte d’un trou noir supermassif primitif.
Les quasars nous ramènent à une période fascinante de l’histoire cosmique, connue sous le nom d’«époque de la réionisation»: celle de la transition du froid et de l’obscurité (les «Âges sombres») à la chaleur et à l’ionisation (la dissociation de l’énergie par la lumière). Cette ère de transition fut cruciale, jetant les bases de tout ce que nous observons aujourd’hui.
«Les quasars anciens sont des découvertes rares. Ils sont intéressants en eux-mêmes, mais aussi comme machines à remonter le temps, nous permettant d’explorer l’Univers primitif et de comprendre comment la première génération de galaxies est apparue», explique Valeria Pettorino, scientifique du projet Euclid de l’Agence spatiale européenne.
Quasars découverts par Euclide. ESA
«Les capacités du télescope Euclid sont sans égales. Ce télescope combine un large champ de vision, une grande profondeur de champ, des images nettes et une vision infrarouge spatiale unique, permettant de détecter des objets rares et extrêmement distants avec une efficacité bien supérieure à celle d’auparavant.»
Et il ne s’agit pas seulement du télescope : le traitement des données n’est possible que grâce aux milliers de scientifiques et d’ingénieurs du consortium Euclid qui travaillent ensemble pour faire des découvertes scientifiques, en analysant de vastes quantités de données afin d’identifier des quasars rares et lointains que nous pouvons étudier plus en détail avec des télescopes terrestres.
Les 31 quasars présentés ici ont été découverts grâce aux données du vaste relevé Euclid qui, une fois achevé, couvrira plus d’un tiers du ciel. Euclid lèvera le voile sur les secrets de l’univers sombre; le télescope étudie sa composition, son histoire et son évolution, et cartographie sa structure à grande échelle en observant des milliards de galaxies et en découvrant de nombreux quasars.
Le quasar présentant le décalage vers le rouge le plus élevé de cette étude est EUCL J172902.75+641018.1 (décalage vers le rouge: 7,77), et le deuxième plus élevé est EUCL J125308.55+705432.3 (décalage vers le rouge: 7,69). Le précédent record, établi en 2021, était détenu par un quasar dont le décalage vers le rouge était de 7,64.
Représentation artistique d’un quasar ancien. ESA
La sonde Euclid a été lancée en juillet 2023 et a débuté ses observations scientifiques programmées le 14 février 2024. En novembre 2023 et mai 2024, le monde a pu apprécier la qualité des images d’Euclid, et en octobre 2024, la première partie de sa vaste carte de l’Univers a été publiée. Le premier lot de données du relevé Euclid, comprenant un aperçu préliminaire de ses régions profondes, a été publié en mars 2025. Pour plus d’informations sur les découvertes de la mission et les données publiées, veuillez consulter le site: esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Euclid
Euclid est une mission européenne, développée et exploitée par l’ESA avec la contribution de ses États membres et de la NASA. Le consortium Euclid, qui regroupe plus de 2 000 scientifiques issus de 300 instituts répartis dans 15 pays européens, les États-Unis, le Canada et le Japon, est chargé de fournir les instruments scientifiques et d’analyser les données. L’ESA a choisi Thales Alenia Space comme maître d’œuvre pour la construction du satellite et de son module de service, tandis qu’Airbus Defence and Space a été sélectionné pour développer le module de charge utile, incluant le télescope. La NASA a fourni les détecteurs NISP (spectromètre et photomètre proche infrarouge). Euclid est une mission de classe moyenne dans le cadre du programme Space Vision de l’ESA.
L’intelligence artificielle a découvert sept «quasars» qui déforment l’espace-temps. Cela pourrait nous aider à comprendre comment les trous noirs supermassifs évoluent et grandissent.
Certains des objets les plus brillants de l’Univers pourraient également receler des indices sur l’évolution des galaxies, notamment lorsque la gravité les transforme en gigantesques loupes cosmiques. Les résultats de ces recherches ont été publiés le 22 juillet 2026 dans The Astrophysical Journal.
En utilisant l’intelligence artificielle pour analyser les données de l’instrument spectroscopique d’énergie sombre (DESI), les astronomes ont identifié sept candidats prometteurs pour les quasars agissant comme des lentilles gravitationnelles – des loupes cosmiques naturelles formées lorsque la gravité d’un objet massif courbe et amplifie la lumière d’un objet plus éloigné.
Ces systèmes inhabituels pourraient aider les chercheurs à mieux comprendre comment évoluent les trous noirs supermassifs en croissance active, selon un communiqué de l’Université d’État de l’Ohio.
L’effet de lentille gravitationnelle est observable dans ce champ cosmique profond. Remarquez que certaines taches lumineuses apparaissent comme des points, tandis que d’autres apparaissent comme des lignes. NASA, ESA, CSA, STScI, Jose Diego (IFCA), Jordan D’Silva (UWA), Anton Kukemoer (STScI), Jake Summers (ASU), Roger Windhorst (ASU), Haojing Yang (Université du Missouri); Traitement d’image: Joseph DePasquale (STScI)
«Les quasars sont comme des images à l’état de prototype d’un trou noir supermassif», a déclaré Everett MacArthur, auteur principal de l’étude et doctorant en astronomie à l’université d’État de l’Ohio. «Il est donc crucial d’étudier comment on passe des quasars à ces trous noirs.»
Les rares cas où un quasar agit comme une lentille gravitationnelle permettent de contourner ce problème, offrant aux astronomes l’opportunité unique d’observer à la fois le quasar lui-même et la galaxie lointaine dont la lumière est amplifiée par sa gravité.
Cependant, détecter ces rares coïncidences peut s’avérer extrêmement difficile. Pour les identifier, l’équipe de recherche s’est appuyée sur un catalogue d’environ 800 000 quasars répertoriés par DESI et a utilisé un modèle d’apprentissage automatique afin de déceler des signes subtils de lentille gravitationnelle.
Comme très peu de quasars à lentille gravitationnelle sont connus, les chercheurs disposaient de peu de données réelles pour entraîner leur modèle d’IA. Ils ont donc généré des simulations de ces alignements cosmiques, permettant à l’algorithme d’apprendre à déterminer les paramètres adéquats avant d’interroger le catalogue DESI. L’algorithme a réduit la recherche à environ 200 candidats, que les chercheurs ont ensuite examinés manuellement. Ce processus a permis d’identifier sept nouveaux quasars candidats à lentille gravitationnelle.
Cette illustration représente la lumière intense de deux quasars situés au cœur de deux galaxies en pleine fusion chaotique. NASA, ESA et J. Olmsted (STScI)
D’après ce communiqué, ces découvertes représentent environ le double du nombre de systèmes connus découverts lors d’études exploratoires similaires.
Bien que l’intelligence artificielle ait joué un rôle clé dans l’identification des candidats, ces découvertes mettent en lumière le potentiel scientifique que recèlent les immenses quantités de données générées par l’astronomie moderne. DESI cartographie des millions de galaxies et de quasars, créant ainsi une immense archive qu’il serait pratiquement impossible d’explorer manuellement.
Des observations supplémentaires seront nécessaires pour confirmer la présence de lentilles de quasar récemment découvertes et étudier leurs propriétés plus en détail. Si leur existence est confirmée, elles pourraient offrir aux astronomes un nouvel outil puissant pour étudier la formation des galaxies environnantes par les trous noirs supermassifs, et démontrer comment l’intelligence artificielle peut révéler des phénomènes cosmiques rares, dissimulés dans les vastes quantités de données issues des relevés astronomiques modernes.
En 2024, des astronomes utilisant le télescope spatial James Webb ont découvert le premier «zigzag d’Einstein»: l’image d’un quasar se répétant six fois sur une même image. Ce phénomène, créé par un effet initialement proposé par Albert Einstein en 1915, appelé «lentille gravitationnelle», pourrait aider les scientifiques à éviter une crise en cosmologie.
Ce système, désigné J1721+8842, est composé d’un quasar – un noyau galactique extrêmement lumineux – dont la lumière est déviée par deux galaxies très éloignées l’une de l’autre mais parfaitement alignées. Non seulement cette observation est incroyablement rare, constituant un exemple fascinant du phénomène curieux de courbure de l’espace-temps décrit dans l’ouvrage fondamental d’Albert Einstein sur la théorie de la gravitation, la relativité générale, mais elle présente également une intensité sans équivalent pour les lentilles gravitationnelles classiques, d’après un article publié sur arXiv.
Image de J1721+8842, avec six apparitions du quasar d’arrière-plan étiquetées de A à F. Dux et al., 2017
Le premier zigzag d’Einstein observé par l’humanité pourrait aider les scientifiques à résoudre deux des plus grands mystères de la cosmologie. Le premier concerne la nature de l’énergie sombre, ou force à l’origine de l’expansion accélérée de l’univers, qui représente environ 70% du bilan énergétique et matériel cosmique. Le second concerne une anomalie que les scientifiques découvrent en mesurant le taux d’expansion de l’univers: la constante de Hubble.
La relativité générale postule que les objets dotés d’une masse induisent une courbure de la structure même de l’espace-temps, qui est fusionné en une seule entité appelée «espace-temps». Plus la masse d’un objet est importante, plus la courbure qu’il provoque dans l’espace-temps est marquée. Puisque la gravité résulte de cette courbure, plus la masse d’un objet est grande, plus son effet gravitationnel est intense.
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L’effet de lentille gravitationnelle se produit lorsque la lumière provenant d’une source d’arrière-plan traverse un corps lentillé massif sur son trajet vers la Terre et suit ainsi la courbure de l’espace, ce qui dévie sa propre trajectoire. Par conséquent, la lumière issue de cette source d’arrière-plan emprunte des trajectoires différentes autour de la lentille gravitationnelle, l’approchant à des distances différentes et étant déviée à des degrés différents. Cela signifie que la lumière provenant d’une même source d’arrière-plan peut atteindre le même télescope à des moments différents.
De ce fait, un même corps lumineux en arrière-plan peut apparaître à plusieurs endroits dans une même image. Ces objets peuvent former des structures semblables à des anneaux d’Einstein, des croix d’Einstein et, dans ce cas particulier, des zigzags d’Einstein.
Le JWST n’était en fait pas le premier télescope à découvrir J1721+8842. Ce quasar à lentille gravitationnelle, qui est plus précisément composé de gaz et de poussière brillants entourant un trou noir supermassif en train de se nourrir, a été découvert par Cameron Lemon en 2017 à l’aide du Panoramic Survey Telescope and Rapid Response System (Pan-STARRS) de l’observatoire Haleakala à Hawaï.
Au premier abord, il semblait que le quasar ne subissait qu’un effet de lentille gravitationnelle quatre fois. Cependant, la sensibilité du télescope JWST a révélé que deux galaxies agissaient en réalité six fois sur ce quasar lointain, la galaxie la plus éloignée étant également affectée par l’effet de lentille gravitationnelle de la galaxie la plus proche.
J1721+8842, observé par le projet Pan-STARRS en 2017, semble être composé de quatre quasars à effet de lentille gravitationnelle. Pan-STARRS/Lemon 2017
En général, les lentilles gravitationnelles créées par une seule galaxie forment deux ou quatre images de la source d’arrière-plan, selon leur alignement. Dans ce cas précis, un alignement exceptionnel est observé entre deux galaxies et un quasar d’arrière-plan, créant une configuration rare de six images. On parle alors de «zigzag d’Einstein», car le trajet optique de deux de ces images multiples passe par la première galaxie avant de dévier vers la seconde. Ce trajet optique dessine ainsi un motif en zigzag entre les deux galaxies.
Frédéric Dukes, auteur principal de l’étude et chercheur au Laboratoire d’astrophysique de l’EPFL, a déclaré que c’était la première fois que des scientifiques découvraient un alignement aussi parfait entre trois corps différents créant une lentille gravitationnelle.
La galaxie la plus proche, dans cet effet de lentille gravitationnelle, est si éloignée que sa lumière a mis 2,3 milliards d’années pour nous parvenir, tandis que celle de la galaxie la plus lointaine a mis 10 milliards d’années. Pourtant, malgré l’immense distance qui les sépare, ces deux galaxies sont si bien alignées qu’elles agissent toutes deux comme des détecteurs de lumière provenant d’un quasar situé à environ 11 milliards d’années-lumière, tandis que la galaxie au premier plan dévie également la lumière de la galaxie intermédiaire.
Ce schéma illustre comment la courbure de l’espace-temps induit un effet de lentille gravitationnelle. NASA, ESA et L. Calzada
Le problème de la constante de Hubble provient du fait que sa mesure dans l’Univers primordial, suivie d’une extrapolation de son évolution sur 13,8 milliards d’années d’histoire cosmique (à l’aide du meilleur modèle cosmologique), devrait donner la même valeur que celle mesurée par les astronomes lors de l’observation de l’Univers local, et donc permettre de mesurer la constante de Hubble à son âge actuel. Or, il existe un écart significatif entre ces deux résultats. Des erreurs de mesure sont possibles dans les deux cas ; aussi, avant de crier au scandale, il est nécessaire de poursuivre la recherche des erreurs potentielles et d’affiner nos mesures. En réduisant l’incertitude de ces mesures, la lentille en zigzag d’Einstein pourrait rapprocher la valeur calculée de la constante de Hubble de sa valeur observée.
De plus, cette lentille peut être utilisée simultanément pour contraindre l’équation d’état de l’énergie sombre de l’Univers. Cette quantité et la constante de Hubble sont généralement dégénérées, ce qui signifie que l’on peut explorer différentes directions tout en obtenant une bonne concordance avec les données observationnelles.
Bien que le télescope JWST ait joué un rôle vital dans la révélation de la véritable nature de J1721+8842 en tant que structure en zigzag d’Einstein, il n’est peut-être pas le meilleur outil pour trouver d’autres structures aussi insaisissables.
La détection de six quasars identiques sur une même image obtenue par le télescope JWST laisse présager la découverte du premier quasar d’Einstein en zigzag. (Dux et al., 2024)
En 2025, des scientifiques ont découvert 53 quasars puissants émettant des jets 50 fois plus larges que notre galaxie, la Voie lactée.
Des astronomes ont découvert 53 nouveaux quasars alimentés par des trous noirs supermassifs qui projettent des jets de matière à une vitesse proche de celle de la lumière, s’étendant jusqu’à 7,2 millions d’années-lumière de diamètre, soit environ 50 fois la largeur de la Voie lactée.
Ces objets gigantesques, appelés quasars radio géants, font partie d’un groupe de 369 quasars radio récemment découverts par des astronomes indiens grâce aux données recueillies par le radiotélescope géant GMRT (Giant Meter Radio Telescope), un réseau de 30 antennes paraboliques situé près de Pune, en Inde, dans le cadre du projet TIFR GMRT Sky Survey (TGSS). Le TGSS a couvert environ 90 % du ciel terrestre, et la large couverture du ciel et la haute sensibilité du télescope en font un outil idéal pour détecter des structures radio géantes distantes telles que les quasars radio géants. Les résultats de l’étude ont été publiés le 13 novembre 2025 dans le supplément de l’Astrophysical Journal de l’American Astronomical Society.
«La taille de ces jets radio est incomparable à celle de notre système solaire, voire même de notre galaxie», a déclaré Souvik Manik, membre de l’équipe de recherche et professeur au City College de Midnapore, dans un courriel. «On parle de 20 à 50 diamètres de la Voie lactée, tous situés à proximité les uns des autres.»
Bien que l’on pense que toutes les grandes galaxies possèdent en leur centre des trous noirs supermassifs dont la masse varie de millions à des milliards de masses solaires, tous ces géants cosmiques n’alimentent pas des régions centrales brillantes appelées noyaux galactiques actifs (AGN) ou ne sont pas observés comme des «quasars», qui sont des noyaux galactiques extrêmement puissants.
Pour alimenter un quasar, un trou noir supermassif doit être entouré d’une immense quantité de gaz et de poussière dont il se nourrit. Cette matière orbite autour des trous noirs supermassifs au sein de structures nuageuses aplaties appelées disques d’accrétion. L’énorme influence gravitationnelle des trous noirs supermassifs génère de puissantes forces de marée dans les disques d’accrétion, chauffant cette matière et provoquant l’émission d’un rayonnement intense sur l’ensemble du spectre électromagnétique.
Cependant, les trous noirs sont réputés pour leur consommation excessive de matière, et toute la matière des disques d’accrétion n’y finit pas. De puissants champs magnétiques canalisent le gaz fortement ionisé, ou plasma, vers les pôles du trou noir supermassif, où il est accéléré à des vitesses proches de celle de la lumière et éjecté dans des directions opposées sous forme de puissants jets doubles. Au fil du temps, lorsqu’ils atteignent des distances de plusieurs années-lumière de leur source, ces jets peuvent s’étendre en larges traînées ou «lames» s’étirant bien au-dessus et au-dessous du plan de la galaxie dont ils proviennent. Les jets et les lames émettent de puissantes émissions radio.
Deux exemples de quasars radio géants récemment découverts, s’étendant chacun sur des millions d’années-lumière. Pal et al., 2025.
«Leurs énormes jets radio font de ces quasars des cibles précieuses pour comprendre à la fois les dernières étapes de leur évolution et le milieu intergalactique dans lequel ils se développent – le gaz ténu qui contient leurs régions émettrices radio, à des millions d’années-lumière du trou noir central», explique Sabyasachi Pal, astronome au City College de Midnapore et chef d’équipe. «Cependant, détecter de tels géants est un véritable défi.» Le chercheur explique que cela est dû au fait que le faible «pont» de rayonnement reliant les deux régions s’estompe souvent en dessous du seuil de détection, donnant l’impression que la structure globale est brisée ou incomplète.
«Les relevés radio à basse fréquence sont particulièrement efficaces pour identifier ces systèmes, car le vieux plasma synchrotron présent dans les lobes émet plus fortement aux basses fréquences radio qu’aux hautes», a poursuivi Pal.
L’équipe de recherche a remarqué une tendance intéressante concernant les quasars radio géants et leur environnement, découvrant qu’au moins 14% de ces objets monstrueux se trouvent dans des groupes et des amas de galaxies, ainsi qu’à proximité de filaments cosmiques de gaz, de poussière et de matière noire où les galaxies se rassemblent et se développent.
«L’environnement semble jouer un rôle important dans l’évolution de ces jets radio», a déclaré Netai Bhukta, membre de l’équipe de recherche et chercheur à l’université Sidho Kanho Birsha de Lagos, en Inde. «Dans les régions plus denses, les jets peuvent être ralentis, déviés ou perturbés par le gaz environnant, tandis que dans les régions plus vides, ils peuvent se propager librement dans le milieu intergalactique.»
Bien que la plupart des quasars possèdent des jets doubles, les scientifiques ont constaté que ces jets présentent souvent des différences de longueur ou de luminosité, une caractéristique appelée asymétrie des jets radio. «Cette asymétrie indique que ces jets évoluent dans un environnement cosmique hétérogène», explique Sushanta K. Mondal, membre de l’équipe et chercheur à l’université Sidho Kanho Birsha. «D’un côté, le jet peut se heurter à des nuages de gaz intergalactique plus denses, ce qui ralentit sa croissance, tandis que de l’autre côté, il se développe librement dans un environnement plus raréfié.»
Les résultats de l’étude semblent indiquer que les quasars géants situés à de plus grandes distances présentent une asymétrie de jet plus marquée que les quasars plus proches de la Voie lactée. Ceci pourrait s’expliquer par le fait que plus ces quasars sont éloignés, plus leur observation remonte dans le temps. Or, le cosmos primitif était alors beaucoup plus chaotique et saturé de gaz plus dense, ce qui a déformé les trajectoires de ces jets.
Un peu d’histoire
En 2024, le télescope spatial James Webb a découvert des quasars solitaires alimentés par des trous noirs supermassifs dans l’univers primitif.
Les observations du télescope spatial James Webb (JWST) étaient considérées comme trompeuses, car les trous noirs isolés devraient avoir du mal à accumuler suffisamment de masse pour atteindre un état supermassif, surtout quelques centaines de millions d’années seulement après le Big Bang. Cette découverte a encore complexifié le mystère de la façon dont certains trous noirs ont atteint des masses équivalentes à des millions, voire des milliards de soleils, alors que l’univers avait moins d’un milliard d’années.
Ces résultats ont été obtenus grâce à une équipe de scientifiques qui ont utilisé le télescope spatial JWST pour étudier l’environnement de cinq des plus anciens quasars connus, formés lorsque le cosmos avait entre 600 et 700 millions d’années. L’équipe a découvert que l’environnement de ces quasars, appelés «champs de quasars», était étonnamment diversifié. Certains étaient des environnements densément peuplés, comme les scientifiques l’avaient prédit, tandis que d’autres étaient de véritables «réservoirs vides», peu peuplés, qui auraient eu du mal à permettre la croissance de trous noirs supermassifs. Les résultats de l’équipe ont été publiés le 17 octobre 2024 dans The Astrophysical Journal.
«Contrairement aux idées reçues, nous avons constaté qu’en moyenne, ces quasars ne se trouvent pas nécessairement dans les régions les plus denses de l’univers primordial. Certains semblent situés en plein désert», a déclaré Anna-Christina Eilers, professeure associée de physique au MIT, dans un communiqué. «Il est difficile d’expliquer comment ces quasars ont pu atteindre de telles tailles s’ils n’avaient apparemment rien à se mettre sous la dent.»
On pensait que les trous noirs supermassifs se cachaient au centre de toutes les grandes galaxies de l’univers relativement récent. Comme aucune étoile n’est suffisamment massive pour s’effondrer et que les trous noirs possèdent des masses colossales, les scientifiques savaient que les trous noirs supermassifs devaient se former différemment des trous noirs dits «stellaires», dont la masse se situe entre 10 et 100 masses solaires et qui se forment lors de la mort d’étoiles massives.
Des modèles suggéraient que les trous noirs supermassifs pouvaient croître par fusions successives de trous noirs de plus en plus massifs, mais le problème était que ce processus prendrait plus d’un milliard d’années. Or, le télescope JWST a observé des trous noirs supermassifs qui se sont formés en un temps beaucoup plus court.
Cette illustration montre un trou noir supermassif alimentant des quasars. NASA/JPL–Caltech
Ces trous noirs supermassifs sont observables car ils résident dans des environnements turbulents et riches en gaz appelés noyaux actifs de galaxies (AGN), dont ils se nourrissent. Ce milieu favorise également leur croissance. L’énorme masse des trous noirs dans ces environnements fait briller intensément les nuages aplatis de gaz et de poussière qui les entourent, surpassant souvent la lumière combinée de toutes les étoiles de la galaxie où ils se trouvent. Cette lumière, des milliards de fois plus brillante que celle du Soleil, indique la présence d’un quasar.
Cependant, les trous noirs supermassifs ont besoin d’un « service de livraison » pour maintenir leur environnement immédiat bien saturé en gaz et en poussière et atteindre une luminosité aussi incroyable.
«C’est tout simplement phénoménal de disposer aujourd’hui d’un télescope capable de capturer la lumière d’il y a 13 milliards d’années avec une telle précision», a déclaré Eilers. «Pour la première fois, le JWST nous a permis d’étudier l’environnement de ces quasars, leur lieu de formation et l’aspect de leur environnement immédiat.»
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Pour étudier les voisinages des quasars, l’équipe a sélectionné cinq régions alimentées par des trous noirs supermassifs, qui ont été étudiées par le télescope JWST entre août 2022 et juin 2023. Cela a nécessité l’assemblage de plusieurs images pour créer une mosaïque du champ de quasars pour chaque région entourant le trou noir supermassif.
En traitant des images avec différentes longueurs d’onde de lumière, il a également été possible de déterminer si la lumière provenait d’une galaxie voisine du quasar, et de mesurer la distance qui séparait cette galaxie du quasar central brillant.
«Nous avons constaté que la seule différence entre ces cinq quasars réside dans l’aspect totalement différent de leur environnement», a déclaré Eilers. «Par exemple, l’un est entouré de près de 50 galaxies, tandis que l’autre n’en compte que deux. Pourtant, ces deux quasars sont identiques en taille, en volume et en luminosité, et se situent dans le même univers.»
Les résultats de cette recherche remettent en question l’idée de la croissance des trous noirs supermassifs et même la formation des galaxies en général. On pensait que cette évolution était pilotée par un vaste «réseau cosmique» de matière noire; la matière noire représente environ 85% de toute la matière, et pourtant elle reste pratiquement invisible à nos yeux.
Dans l’Univers primordial, les filaments de matière noire de la toile cosmique guidaient le gaz et la poussière, attirant la matière primordiale le long de leurs vastes ramifications. Aux jonctions de ces filaments, des régions de densité de matière excessive se sont accumulées. C’est là que se sont formées les premières galaxies, et c’est également là que les premiers quasars devraient avoir été découverts.
«Le réseau de matière noire cosmique est une prédiction fiable de notre modèle cosmologique de l’Univers, et il peut être décrit en détail grâce à des simulations numériques», a déclaré Elia Pizzati, doctorant à l’université de Leiden et chef d’équipe, dans un communiqué. «En comparant nos observations à ces simulations, nous pouvons déterminer la position exacte des quasars au sein de ce réseau cosmique.»
Image d’un quasar ancien alimenté par un trou noir supermassif dans l’Univers primordial, prise par le télescope JWST. Christina Eilers/Équipe EIGER
Les trous noirs supermassifs situés à ces nœuds de la toile cosmique devraient croître grâce à un afflux constant et rapide de gaz et de poussière provenant de la toile cosmique, comme un centre de rassemblement larvaire galactique; cela permettrait aux quasars d’atteindre des masses monstrueuses et des luminosités extrêmes.
L’environnement vide semble indiquer une absence de matière noire et une surdensité de nœuds du réseau cosmique. Si cela se confirme, les théories actuelles des mécanismes de croissance ne peuvent expliquer la formation de ces quasars. Une solution possible à ce mystère est que ces quasars primordiaux sont en réalité entourés de poussière cosmique et donc invisibles.
«Nos résultats montrent qu’il manque encore une pièce essentielle au puzzle de la croissance de ces trous noirs supermassifs», a conclu Eilers. «Si la matière environnante est insuffisante pour permettre à certains quasars de croître continuellement, cela signifie qu’il existe un autre mécanisme de croissance que nous n’avons pas encore découvert.»
Il convient de préciser que, depuis 2023, les astronomes pensent que les quasars se forment lors de collisions de galaxies, qui entraînent la concentration et la compression de la matière interstellaire.
En étudiant des images de 48 quasars et de plus de 100 galaxies ordinaires obtenues grâce au télescope Isaac Newton situé sur l’île espagnole de La Palma, des scientifiques ont observé des structures déformées dans les régions extérieures des galaxies contenant des quasars. Les chercheurs ont émis l’hypothèse que ces structures déformées étaient les vestiges de collisions au cours desquelles du gaz interstellaire, poussé vers le trou noir au centre de la galaxie, aurait libéré, juste avant d’être absorbé, une quantité considérable d’énergie sous forme de lumière, produisant ainsi des éruptions lumineuses semblables à celles d’un quasar. Les résultats de cette étude ont été publiés en 2023 dans la revue Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
En comparant les galaxies avec quasars et celles sans quasars, les astronomes ont conclu que les galaxies à quasars ont trois fois plus de chances d’interagir ou d’entrer en collision avec d’autres galaxies. Il est probable qu’un sort similaire attende notre Voie lactée lorsqu’elle entrera en collision avec la galaxie d’Andromède dans cinq milliards d’années, illuminant ainsi le ciel étoilé de certains des objets les plus brillants de l’Univers.
Le trou noir supermassif au centre du quasar J0529-4351, découvert en 2024, possède une masse comprise entre 17 et 19 milliards de fois celle du Soleil ; chaque année, il absorbe, ou «accrète», une quantité de gaz et de poussière équivalente à 370 masses solaires. De ce fait, J0529-4351 est si lumineux que s’il était situé près du Soleil, il serait 500 000 milliards de fois plus brillant que notre étoile.
«Nous avons découvert le trou noir à la croissance la plus rapide jamais observé. D’une masse de 17 milliards de masses solaires, il absorbe un peu plus d’une charge solaire par jour», a déclaré Christian Wolff, astronome à l’Université nationale australienne et chef d’équipe, dans un communiqué. «Cela en fait l’objet le plus lumineux de l’Univers connu.» Les résultats de l’étude ont été publiés le 19 février 2024 dans la revue Nature Astronomy.
L’objet J0529-4351 a été découvert dans les données il y a plus de 40 ans, mais il était si brillant que les astronomes n’ont pas pu l’identifier comme un quasar.
Les quasars sont des régions situées au centre des galaxies et contenant des trous noirs supermassifs entourés de gaz et de poussière qui alimentent ces vides. Les conditions extrêmes qui règnent dans les disques de matière entourant ces trous noirs actifs, appelés disques d’accrétion et créés par leur immense gravité, chauffent le gaz et la poussière, ce qui leur confère une forte luminosité.
La région de l’espace autour du quasar record J0529-4351. ESO/Digitized Sky Survey 2/Dark Energy Survey
De plus, toute matière présente dans ces disques et non accrétée par le trou noir est dirigée vers les pôles de la géante cosmique, où elle est éjectée sous forme de jet de particules à des vitesses proches de celle de la lumière, générant également une lumière intense. Par conséquent, les quasars situés dans ces régions de noyaux galactiques actifs (AGN) peuvent briller plus intensément que la lumière combinée de milliards d’étoiles des galaxies environnantes.
Mais même parmi ces événements exceptionnellement brillants, J0529-4351 se distingue.
La lumière émise par J0529-4351 provient d’un disque d’accrétion massif alimentant un trou noir supermassif, dont le diamètre est estimé par les chercheurs à environ 7 années-lumière. Traverser ce disque d’accrétion équivaut donc à faire environ 45 000 allers-retours entre la Terre et le Soleil.
«Il est étonnant qu’il soit resté inconnu jusqu’en 2024, alors que nous connaissons déjà un million de quasars moins impressionnants. Jusqu’à présent, il était littéralement sous nos yeux», a déclaré Christopher Onken, membre de l’équipe et scientifique de l’Université nationale australienne, dans un communiqué.
J0529-4351 a été découvert par le relevé Schmidt du ciel austral, lancé en 1980, mais il a fallu des décennies pour confirmer qu’il s’agissait bien d’un quasar. Les grands relevés astronomiques produisent une telle quantité de données que les astronomes ont besoin de modèles d’apprentissage automatique pour les analyser et distinguer les quasars des autres objets célestes.
Ces modèles sont également entraînés à partir d’objets déjà découverts, ce qui signifie qu’ils peuvent passer à côté de candidats aux propriétés exceptionnelles, comme J0529-4351. En effet, ce quasar est si brillant que les modèles ne l’ont pas détecté, le prenant pour une étoile située relativement près de la Terre.
Illustration du quasar J059-4351, un quasar record – le cœur brillant d’une galaxie lointaine alimenté par un trou noir supermassif vorace. ESO/M. Kornmesser
Cette erreur de classification a été découverte en 2023, lorsque des astronomes, étudiant la région de l’objet à l’aide du télescope de 2,3 mètres de l’observatoire de Seeding Spring en Australie, ont réalisé que J0529-4351 était en fait un quasar.
La nouvelle découverte, confirmant qu’il s’agit en fait du quasar le plus brillant jamais observé, a été réalisée lors d’observations de suivi de J0529-4351 avec le spectrographe X-shooter du Very Large Telescope (VLT) dans la région du désert d’Atacama, au nord du Chili.
Les astronomes n’ont pas encore terminé leurs études de l’objet J0529-4351.
Une équipe de chercheurs pense que le trou noir supermassif au centre de ce quasar s’alimente près de la limite d’Eddington, c’est-à-dire le point où le rayonnement qu’il émet devrait repousser le gaz et la poussière, coupant ainsi les réserves cosmiques du trou noir.
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