Une équipe internationale d’astrophysiciens a détecté le quasar le plus lointain jamais observé, tel qu’il était 850 millions d’années après le Big Bang. Selon Futura Sciences, cette découverte, publiée dans la revue Nature Astronomy et relayée par le Massachusetts Institute of Technology (MIT), éclaire sous un nouveau jour la formation et l’évolution des trous noirs supermassifs au cœur des galaxies primitives.

Ce qu’il faut retenir

  • Un quasar record, brillant comme 12 milliards de soleils, a été observé tel qu’il était 850 millions d’années après le Big Bang.
  • Son scintillement aléatoire sur 14 ans a permis de déduire que son disque d’accrétion était déjà fin et plat, une structure habituellement associée aux trous noirs plus matures.
  • Les fluctuations de luminosité, variant de 20 %, révèlent des mécanismes d’alimentation en gaz similaires à ceux observés dans l’Univers proche.
  • Cette découverte suggère que les phases de croissance chaotiques des trous noirs supermassifs se produisent très tôt, bien avant leur phase de quasar ultra-lumineux.
  • Les trous noirs centraux jouent un rôle clé dans la régulation de la formation stellaire en expulsant le gaz froid nécessaire à la naissance des étoiles.

Les quasars, ces phares cosmiques des débuts de l’Univers

Dès leur découverte dans les années 1960, les quasars ont fasciné les astronomes par leur nature paradoxale. Ces objets, semblables à des étoiles dans les télescopes optiques, se révélaient en réalité des sources d’énergie colossales situées à des milliards d’années-lumière. Selon Futura Sciences, leur luminosité dépassait celle de galaxies entières, tout en étant bien plus compacte qu’une explosion stellaire classique.

On sait aujourd’hui que les quasars sont en réalité des trous noirs supermassifs, d’une masse allant de 1 million à plusieurs milliards de fois celle du Soleil, entourés d’un disque de matière en rotation rapide. Cette matière, en tombant vers le trou noir, s’échauffe à des températures extrêmes et émet un rayonnement intense, tandis que des jets de particules sont propulsés à des vitesses proches de celle de la lumière. Autant dire que ces objets, bien que minuscules à l’échelle cosmique, dominent leur environnement galactique.

Une fenêtre sur les mécanismes précoces des trous noirs

L’étude publiée dans Nature Astronomy se concentre sur un quasar détecté dans l’infrarouge par la mission Neowise de la Nasa, un télescope spatial ayant scruté l’ensemble du ciel pendant 14 ans. Les données ont révélé un phénomène rare : un scintillement aléatoire de sa luminosité, comparable à la flamme vacillante d’une bougie. Ce scintillement, variant de 20 % — soit l’équivalent de 2 milliards de soleils —, a permis aux chercheurs de reconstituer la structure du disque d’accrétion entourant le trou noir central.

Gene Leung, chercheur postdoctoral à l’Institut Kavli du MIT et coauteur de l’étude, a souligné : « Nous savons depuis longtemps que les quasars de l’Univers proche peuvent scintiller. Ce scintillement provient des fluctuations de l’alimentation en gaz du trou noir. Et la manière dont un quasar scintille nous renseigne sur la structure du disque d’accrétion du trou noir. » Ce disque, observé ici sous une forme déjà mature, suggère que les mécanismes d’alimentation des trous noirs supermassifs étaient déjà en place moins d’un milliard d’années après le Big Bang.

Une coévolution entre trous noirs et galaxies à décrypter

Les astrophysiciens s’interrogent depuis des décennies sur le lien entre la masse d’un trou noir supermassif et celle de sa galaxie hôte. Une relation de proportionnalité a été établie, mais les processus exacts de cette coévolution restent mal compris. Anna-Christina Eilers, professeure adjointe de physique au MIT et autrice principale de l’étude, a expliqué : « Ceci apporte la preuve directe que les mêmes processus d’alimentation et les mêmes structures observés dans l’Univers proche étaient déjà en place à des époques très reculées, malgré des environnements cosmiques très différents. »

Les vents de matière émis par les trous noirs en phase d’accrétion pourraient expulser le gaz froid des galaxies, limitant ainsi la formation de nouvelles étoiles. Ce mécanisme, s’il est confirmé, expliquerait pourquoi certaines galaxies voient leur croissance stellaire s’arrêter prématurément. Pour l’heure, les observations de ce quasar record offrent une pièce supplémentaire au puzzle de la coévolution entre trous noirs et galaxies, un processus clé pour comprendre l’Univers tel qu’on l’observe aujourd’hui.

Et maintenant ?

Les chercheurs prévoient d’utiliser le télescope spatial James-Webb, dont les instruments infrarouges sont particulièrement adaptés à l’étude des objets lointains, pour observer davantage de quasars dans les premières centaines de millions d’années après le Big Bang. Ces futures observations pourraient révéler si ce quasar est un cas isolé ou s’il illustre un mécanisme généralisé. Par ailleurs, des simulations numériques plus précises des disques d’accrétion permettront de tester les modèles théoriques de croissance des trous noirs supermassifs.

Contexte : les quasars, de l’étrangeté initiale à une pièce maîtresse de l’astrophysique

Lorsque les premiers quasars furent identifiés, leur nature intrigua les scientifiques. Maarten Schmidt, astronome néerlandais, fut le premier à résoudre leur mystère en 1963 en analysant le spectre de 3C 273. Il découvrit que cet objet, bien que ressemblant à une étoile, se situait à une distance cosmologique, impliquant une luminosité prodigieuse. Le terme « quasar », proposé en 1964 par Hong-Yee Chiu, s’imposa rapidement pour désigner ces sources quasi-stellaires radio.

Dès lors, les hypothèses se multiplièrent : certains évoquèrent des étoiles relativistes, d’autres des trous blancs, voire des régions de l’Univers en expansion retardée. Aujourd’hui, le consensus scientifique désigne les quasars comme des trous noirs supermassifs en phase d’accrétion intense. Leur étude reste un champ actif de recherche, notamment pour comprendre comment ces monstres cosmiques ont pu atteindre des masses colossales en un temps si court après le Big Bang.

Les trous noirs supermassifs, bien que discrets dans l’Univers local, ont façonné l’évolution des galaxies. Sans eux, les galaxies n’auraient probablement pas la structure qu’on leur connaît aujourd’hui. Cette découverte renforce l’idée que leur influence s’exerce dès les premiers âges de l’Univers, bien avant que les galaxies ne prennent leur forme actuelle.

Le scintillement d’un quasar est lié aux variations de l’alimentation en gaz du trou noir central. Ces fluctuations modifient la quantité de matière tombant vers le trou noir, ce qui affecte la luminosité du disque d’accrétion. En analysant ces variations, les astronomes peuvent déduire la structure et la dynamique du disque, une région où la matière atteint des températures extrêmes avant d’être engloutie.

Les trous noirs supermassifs, en phase d’accrétion active, émettent des vents de matière et des jets relativistes qui peuvent expulser le gaz froid des galaxies. Ce gaz est pourtant essentiel à la formation de nouvelles étoiles. En le chassant, les trous noirs limitent la croissance stellaire, modifiant ainsi l’évolution de leur galaxie hôte sur le long terme.