Euclid a découvert en un an plus de quasars anciens que toute une décennie de recherches

Depuis dix ans, confirmer un seul quasar alimenté par un trou noir d’une masse d’un milliard de soleils alors que l’univers avait moins d’un milliard d’années exigeait un effort coordonné entre plusieurs télescopes et des mois de spectroscopie de suivi. Le résultat cumulé de ces efforts se chiffrait à une dizaine d’objets confirmés. Au cours de sa première année d’opérations scientifiques, Euclid en a confirmé douze.

Ce chiffre constitue le résultat central d’un article signé par le doctorant de l’université de Leyde Daming Yang et ses collègues, publié dans Astronomy & Astrophysics dans le cadre d’un numéro spécial de 41 articles exploitant les données du premier quart du ciel d’Euclid. Le catalogue complet contient 31 quasars jusqu’alors inconnus, issus des tout premiers âges de l’univers — des sources de lumière anciennes, brûlant chacune avec la puissance d’environ mille milliards de soleils, alimentées par des trous noirs supermassifs déjà en place lorsque le cosmos n’avait qu’une fraction de son âge actuel.

Les deux objets les plus lointains du catalogue, désignés EUCL J172902.75+641018.1 et EUCL J125308.55+705432.3, présentent des décalages vers le rouge de 7,77 et 7,69, ce qui les place parmi les objets les plus distants jamais résolus individuellement dans une étude. Leur lumière a été émise alors que l’univers n’avait qu’environ 670 millions d’années.

Comment Euclid identifie des objets qui ressemblent à des étoiles ordinaires

Détecter des quasars anciens relève de la recherche de l’aiguille dans une botte de foin. À des distances extrêmes, l’émission ultraviolette d’un quasar est étirée par l’expansion de l’univers vers le proche infrarouge, un décalage qui place ses raies spectrales caractéristiques à des longueurs d’onde que la plupart des instruments au sol peinent à atteindre efficacement. Plus concrètement, l’aspect faible et rouge qui en résulte rend ces objets presque indistinguibles des étoiles naines M, bien plus proches et bien plus nombreuses, sur les images en lumière visible standard. La plupart des détections antérieures à Euclid reposaient sur la mise en correspondance d’objets entre plusieurs relevés de profondeur et de couverture filtrante variables, puis sur la priorisation des candidats pour l’utilisation coûteuse des grands télescopes.

Euclid résout les deux problèmes à la fois. Son spectromètre et photomètre infrarouge proche (NISP) couvre des longueurs d’onde de 0,95 à 2,0 microns, exactement là où tombe l’émission Lyman-alpha décalée vers le rouge des quasars à z≥7, tout en capturant simultanément une photométrie à large bande qui permet la sélection initiale des candidats. La surface du relevé, conçue pour couvrir à terme un tiers du ciel à des profondeurs inaccessibles depuis le sol, génère un volume statistique suffisamment grand pour contenir des échantillons utiles des objets les plus rares. « Leur lumière primordiale est à la fois faible et facile à confondre avec celle d’étoiles situées plus près de nous », a déclaré Antonio La Marca, chercheur de l’ESA au sein de l’équipe Euclid.

L’équipe de Yang a appliqué un algorithme de sélection photométrique aux données Q1, identifié des candidats compatibles avec des quasars à z≥7, et confirmé les détections en utilisant le mode spectroscopique du NISP sans nécessiter de campagne au sol distincte. Le gain d’efficacité par rapport aux méthodes d’observation antérieures est la différence entre le résultat cumulé d’une décennie et douze objets confirmés en un an.

Ce que signifie réellement le seuil de décalage vers le rouge de 7

Le décalage vers le rouge quantifie l’ampleur de l’expansion de l’univers depuis l’émission d’un photon donné. Un décalage de z=7 correspond à un univers dont la taille linéaire était environ un huitième de sa taille actuelle, ce qui se traduit par un temps de regard en arrière d’environ 13 milliards d’années et un âge cosmique de 670 millions d’années après le Big Bang. À cet instant, l’univers achevait sa réionisation, la transition au cours de laquelle le rayonnement ultraviolet des premières sources lumineuses a ionisé l’hydrogène gazeux qui avait maintenu le cosmos primitif opaque.

Les quasars à z≥7 figuraient parmi les principaux moteurs de la réionisation, mais ils en sont aussi le paradoxe : ils nécessitent des trous noirs supermassifs ayant grandi assez vite pour atteindre des milliards de masses solaires à un moment de l’histoire cosmique où, selon les modèles standards de formation des structures, il n’y avait guère eu le temps de former les premières étoiles. Le trou noir central de la Voie lactée, Sagittarius A*, pèse environ quatre millions de masses solaires et a accumulé cette masse sur la totalité des 13,8 milliards d’années d’âge de l’univers. Les trous noirs qui alimentent les quasars à z≥7 du catalogue Euclid pèsent des centaines à des milliers de fois plus, et ont pourtant accumulé cette masse en moins de 5 % de ce même laps de temps.

« Ces monstres — pesant des milliards de fois la masse de notre Soleil — existaient déjà, d’une manière ou d’une autre, alors que l’univers était encore à ses balbutiements », a déclaré Joseph Hennawi, le directeur de thèse de Yang à l’Université de Californie à Santa Barbara et co-auteur de l’article. En trouver plus d’une douzaine dans les données d’une seule année montre qu’il ne s’agit pas d’anomalies statistiques : l’échantillon est désormais assez grand pour être traité comme une population.

Ce que le catalogue ne résout pas

Des confirmations supplémentaires renforcent un argument quantitatif sans encore permettre de trancher entre les mécanismes de formation proposés. Les principaux candidats incluent l’accrétion super-Eddington soutenue, dans laquelle le gaz tombe dans un trou noir germe plus vite que la limite canonique de pression de radiation pendant des périodes assez longues pour construire les masses observées ; l’effondrement direct de nuages de gaz primordiaux massifs en trous noirs germes bien plus lourds que tout vestige stellaire ; et la fusion rapide d’amas stellaires denses antérieurs à la première génération de trous noirs supermassifs. Chaque mécanisme se heurte à des contraintes observationnelles indépendantes, et les données d’Euclid n’incluent pas encore les caractérisations des galaxies hôtes nécessaires pour les tester directement.

L’article de Yang note que le catalogue de 31 objets représente un sous-ensemble brillant d’une population sous-jacente plus vaste, ceux suffisamment lumineux et à la bonne combinaison de décalage vers le rouge et de position dans le ciel pour émerger clairement des données Q1. Les modèles de complétude nécessiteront le grand relevé complet d’Euclid, qui poursuit ses observations. Une mise en garde pratique s’applique aux 31 objets : la caractérisation de la galaxie hôte, essentielle pour tester les modèles de formation, nécessite des observations plus profondes que celles fournies par le relevé lui-même. Silvia Belladitta de l’Institut Max Planck d’astronomie de Heidelberg a mené la spectroscopie de suivi pour le deuxième objet le plus distant du catalogue ; des campagnes au sol planifiées traiteront l’ensemble de l’échantillon.

Questions fréquentes sur les quasars anciens d’Euclid

Qu’est-ce qu’un quasar exactement, et pourquoi sa luminosité est-elle importante ?

Un quasar est le noyau intensément lumineux d’une galaxie, alimenté par un trou noir supermassif qui accrète activement le gaz environnant. À mesure que la matière chauffe dans le disque d’accrétion, elle rayonne sur tout le spectre électromagnétique avec une luminosité capable d’éclipser toutes les étoiles de la galaxie hôte combinées. Aux distances rapportées ici, seul le moteur central est détectable ; la galaxie hôte est trop faible et trop compacte pour être résolue. La luminosité extrême est ce qui permet à Euclid de détecter des objets situés à 13 milliards d’années-lumière.

Pourquoi ces objets sont-ils décrits comme un problème pour la cosmologie ?

Les modèles standards de croissance des trous noirs fixent un plafond naturel aux taux d’accrétion, connu sous le nom de limite d’Eddington. Un germe de masse stellaire — le plus gros trou noir qu’une étoile puisse laisser derrière elle — accrétant en continu à ce taux ne peut atteindre un milliard de masses solaires dans le temps disponible entre le Big Bang et l’époque qu’habitent ces quasars. En trouver plus d’une douzaine en une seule année d’observation signifie qu’ils sont suffisamment communs pour qu’aucun événement exotique unique ne puisse les expliquer ; le mécanisme de formation doit fonctionner à grande échelle.

Comment Euclid se compare-t-il aux relevés antérieurs pour ce type d’objet ?

Le grand relevé Euclid (Euclid Wide Survey) couvrira à terme environ 14 000 degrés carrés avec des sensibilités infrarouges proches inaccessibles aux relevés au sol sur des surfaces comparables. La génération précédente de relevés, notamment le Sloan Digital Sky Survey et le UKIRT Infrared Deep Sky Survey, a identifié la majeure partie du précédent catalogue de quasars à z≥7 sur plus d’une décennie d’observations combinées. L’instrument NISP d’Euclid effectue simultanément la sélection initiale et le criblage spectroscopique, condensant en une seule passe d’observation ce qui nécessitait auparavant des campagnes séparées.

Quelles sont les prochaines étapes de ce programme de recherche ?

Une spectroscopie de suivi au sol est prévue pour l’ensemble de l’échantillon de 31 objets afin d’affiner les mesures de décalage vers le rouge et de caractériser les galaxies hôtes. Les futures publications de données d’Euclid élargiront le catalogue à mesure que le grand relevé accumulera de la surface céleste. La publication des données Q2 d’Euclid, qui a couvert le bulbe galactique de la Voie lactée avec 60 millions d’étoiles capturées en 26 heures d’observation, a été réalisée fin juin ; les publications suivantes ajouteront davantage de surface céleste extragalactique pertinente pour la recherche de quasars à haut décalage vers le rouge. « En les découvrant et en les étudiant », a écrit Yang, « nous pouvons mieux comprendre comment ces systèmes énormes se sont formés et ont grandi si rapidement. »

Référence : Yang et al., « Euclid: Discovery of 31 high-redshift quasars including two of the most distant quasars known », Astronomy & Astrophysics, 2026. DOI : 10.1051/0004-6361/202658883

Étiquettes: astronomie, supermassive black holes, early universe, esa, euclid, quasars