Webb repère deux trous noirs géants côte à côte 900 millions d’années après le Big Bang

Le télescope spatial James Webb a repéré deux trous noirs supermassifs en train de se nourrir côte à côte alors que l’Univers avait moins d’un milliard d’années. Ils forment la paire de quasars la plus ancienne jamais identifiée, et leur séparation est inférieure à la distance entre notre Soleil et le centre de la Voie lactée.

Cette paire est importante parce que personne ne s’attendait à en surprendre une aussi tôt. Les deux trous noirs pèsent chacun des centaines de millions à des milliards de fois la masse du Soleil, et la probabilité d’en trouver deux aussi proches l’un de l’autre à cette époque est bien plus élevée que ce que prédisent les modèles actuels de l’Univers jeune.

Le système est officiellement nommé J1602+4228AB. Son nom hawaïen, Nāpōwawāʻenakaulua, a été créé par Larry Kimura du collège de langue hawaïenne de l’Université d’Hawaï dans le cadre du programme de dénomination A Hua He Inoa. Il se traduit par « Deux corps célestes d’une puissance obscure insondable dans l’éclat de la chaleur qui réincarne l’énergie dans l’Univers ». L’étude, dirigée par Silvia Onorato du NSF NOIRLab, paraît dans The Astrophysical Journal Letters.

La lumière que nous voyons a quitté la paire environ 900 millions d’années après le Big Bang. Le plus grand trou noir pèse environ 1,5 milliard de fois la masse du Soleil et le plus petit environ 400 millions. Ils sont distants d’environ 18 100 années-lumière, soit un cinquième du diamètre de la Voie lactée.

Un quasar est un trou noir supermassif qui engloutit tellement de gaz que la matière qui l’entoure éclipse toutes les étoiles de sa galaxie hôte. Les deux membres de cette paire se nourrissent à la limite d’Eddington ou légèrement au-dessus, le taux auquel le rayonnement poussant vers l’extérieur depuis le gaz chaud équilibre la gravité attirant le gaz vers l’intérieur. Les deux trous noirs grandissent donc à peu près aussi vite que la physique le permet normalement.

« Il n’existe aucune explication théorique définitive pour expliquer comment un seul de ces quasars géants peut exister si tôt dans l’âge de notre Univers, et encore moins deux », a déclaré Onorato dans l’annonce du NOIRLab.

Comment Webb et Gemini ont découvert le second quasar

La paire est apparue dans le relevé Aether, un programme Webb dirigé par Emanuele Paolo Farina du NSF NOIRLab et de l’Observatoire international Gemini. Le relevé pointe le spectrographe proche infrarouge de Webb vers 200 quasars datant du premier milliard d’années, soit environ 43 % de tous les quasars connus de cette période. Au lieu d’un seul spectre, l’instrument enregistre un spectre distinct pour chaque petite parcelle de ciel autour de chaque cible.

Lors d’une vérification visuelle de chaque cube de données, l’équipe a remarqué que le quasar connu J1602+4228 avait un compagnon faible à presque exactement la même distance. Sur les 199 champs du relevé examinés, c’est le seul quasar compagnon présentant de larges raies d’émission, la signature du gaz se déplaçant rapidement près d’un trou noir. Webb a observé ce champ pendant environ 45 minutes.

Le compagnon est environ 19 fois plus faible que le quasar principal, et les deux sont séparés dans le ciel d’un peu moins d’une seconde d’arc, soit environ la largeur d’une pièce de monnaie vue à quatre kilomètres de distance. Pour confirmer qu’il s’agit d’un objet distinct, l’équipe s’est tournée vers le spectrographe proche infrarouge Gemini sur le télescope Gemini Nord au Maunakea, à Hawaï, et a placé la fente de manière à couvrir les deux quasars à la fois. Le quasar faible a reçu plus de trois heures d’exposition. « Le ciel au-dessus du Maunakea était si propre et si net que nous avons réussi à collecter les données en seulement deux nuits », a déclaré Onorato. Un troisième instrument, le spectrographe multi-objets Gemini, a ajouté la lumière optique du compagnon faible.

Les décalages vers le rouge des deux quasars, une mesure de l’étirement de leur lumière par l’expansion de l’Univers, ne diffèrent que d’environ 15 kilomètres par seconde, ce qui les place essentiellement à la même distance de la Terre.

À quel point ces trous noirs anciens sont-ils proches

Il s’agit seulement de la troisième paire de quasars découverte à l’aube cosmique, l’ère des premières galaxies, et c’est la plus serrée. La paire précoce la plus compacte précédente, J2037-4537, a une séparation d’environ 24 000 années-lumière et a été observée environ 100 millions d’années plus tard dans l’histoire cosmique. Un autre candidat à une époque similaire, J1215-0148, a une largeur d’environ 39 000 années-lumière, et les astronomes débattent encore pour savoir s’il s’agit d’une véritable paire.

Pour donner une échelle, le Soleil est à environ 26 000 années-lumière de Sagittarius A*, le trou noir au centre de notre galaxie. Sagittarius A* pèse environ quatre millions de Soleils. Le plus grand trou noir de cette paire est environ 380 fois plus lourd, et il a atteint cette masse alors que l’Univers avait environ 6,5 % de son âge actuel.

L’équipe s’est également demandé à quelle fréquence une telle paire devrait apparaître. Les mesures de la façon dont les quasars se regroupent à grande échelle, étendues à l’échelle de cette paire, prédisent bien moins de tels voisins qu’un dans 199 champs. La paire observée se situe 100 à 1 000 fois au-dessus de ces extrapolations, même lorsque l’équipe a utilisé un seuil de luminosité plus faible.

Ce que la paire ne résout pas encore

La première question ouverte est de savoir s’il s’agit vraiment de deux quasars. Une galaxie située entre nous et un seul quasar lointain peut courber sa lumière et produire deux images du même objet, un effet appelé lentille gravitationnelle. Les spectres plaident contre cela. Les deux quasars diffèrent par la pente de leur lumière et par la quantité de poussière qui les atténue, et les écoulements rapides de gaz observés dans leurs raies d’émission d’oxygène ont des formes différentes, et la lentille ne peut pas changer ces formes. L’équipe penche donc provisoirement pour une véritable paire. Cependant, des images d’archives de Hubble montrent une possible galaxie d’avant-plan près du quasar le plus faible. Les auteurs écrivent que les spectres seuls ne peuvent pas exclure la lentille, et qu’un modèle de lentille complet est encore en préparation.

La deuxième limite concerne les masses elles-mêmes. Les poids des trous noirs dérivés d’un seul spectre comportent une incertitude systématique d’environ un facteur deux, de sorte que les chiffres de 1,5 milliard et 400 millions sont des estimations, et non des mesures précises.

La troisième limite concerne l’excès. Les prédictions de regroupement ont été mesurées à des échelles beaucoup plus grandes et doivent être étendues bien en dessous de leur plage testée, où les auteurs disent que la théorie est extrêmement incertaine. Une seule paire ne peut pas montrer si de tels systèmes sont courants ou si celui-ci est une coïncidence rare.

Individuellement, les trous noirs n’enfreignent aucune règle : leurs masses et leurs taux d’alimentation correspondent à ceux des quasars solitaires de la même époque. Ce qui reste inexpliqué, c’est comment un trou noir a pu atteindre un milliard de Soleils aussi rapidement, et pourquoi deux l’ont fait si près l’un de l’autre.

Pourquoi une fusion pourrait expliquer la paire

L’équipe propose que Nāpōwawāʻenakaulua marque un pic extrême dans la densité de matière dans l’Univers primitif, un endroit où des galaxies en collision ont poussé de grandes quantités de gaz vers leurs centres. Ce gaz alimenterait la formation d’étoiles et les deux trous noirs en même temps, ce qui expliquerait pourquoi deux quasars se sont allumés ensemble.

Si les deux galaxies hôtes fusionnent, les trous noirs devraient éventuellement couler vers le centre de la galaxie combinée, former une paire liée et, dans un avenir lointain, fusionner. Des paires comme celle-ci sont le stade précoce du processus censé produire le faible fond d’ondes gravitationnelles rapporté par la collaboration NANOGrav.

Questions des lecteurs sur la paire de quasars

Qu’est-ce qu’une paire de quasars ?

Une paire de quasars est constituée de deux trous noirs supermassifs en train de se nourrir activement, situés à proximité l’un de l’autre dans l’espace, généralement parce que leurs galaxies hôtes interagissent ou fusionnent. Très peu ont été trouvés dans le premier milliard d’années après le Big Bang.

À quelle distance se trouve Nāpōwawāʻenakaulua ?

Sa lumière a quitté la paire environ 900 millions d’années après le Big Bang, ce qui correspond à un décalage vers le rouge d’environ 6,08. La lumière a voyagé pendant près de 13 milliards d’années pour atteindre Webb.

Comment les astronomes pèsent-ils un trou noir aussi lointain ?

Ils mesurent la largeur des raies d’émission d’hydrogène provenant du gaz en orbite autour du trou noir. Des orbites plus rapides signifient des raies plus larges, et combinée à la luminosité du quasar, la largeur donne une estimation de la masse. Ces estimations à partir d’un seul spectre sont incertaines d’environ un facteur deux.

Le second quasar pourrait-il être une illusion due à une lentille gravitationnelle ?

C’est possible mais considéré comme moins probable. Les deux spectres diffèrent d’une manière que la lentille ne devrait pas produire, en particulier dans les formes de leurs écoulements de gaz, mais une galaxie d’avant-plan candidate a été repérée dans les images de Hubble. Un modèle de lentille détaillé testera l’idée.

La suite

Webb a enregistré les données de la découverte le 2 avril 2025, le suivi Gemini s’est poursuivi cette année, et l’article a été publié le 10 novembre 2026. L’équipe d’Onorato prépare maintenant une étude dynamique du gaz se déplaçant entre les deux quasars et un modèle de lentille basé sur des images d’archives de Hubble. Un article séparé dirigé par Roberto Decarli de l’Institut national d’astrophysique d’Italie rapportera les galaxies compagnes trouvées dans l’ensemble du relevé Aether, la première étape vers l’échantillon statistique qui peut montrer si des paires comme celle-ci sont courantes ou rares.

Référence : Onorato et al., « Nāpōwawā‘enakaulua: A Close Quasar Pair at Cosmic Dawn in the Aether Survey, » The Astrophysical Journal Letters, 2026. DOI: 10.3847/2041-8213/aeb11f

Étiquettes: astronomie, James Webb Space Telescope, JWST, trous noirs, Gemini North, quasars