Les premiers quasars de l’Univers sortent de l’ombre

Le télescope spatial Euclid a identifié 31 nouveaux quasars dont la lumière a été émise entre 600 et 800 millions d’années après le Big Bang. Ces objets présentent un décalage vers le rouge compris entre 6,6 et 7,8, dans l’Univers primordial. Douze d’entre eux dépassent la valeur 7, ce qui porte de 9 à 23 le nombre de quasars connus au-delà de ce seuil. Deux sources établissent un nouveau record. EUCL J172902.75+641018.1 atteint un décalage vers le rouge de 7,77 et EUCL J125308.55+705432.3 une valeur de 7,69. Leur lumière remonte à une époque où l’Univers avait environ 670 millions d’années, soit près de 5 % de son âge actuel.

Les quasars correspondent à une phase brève et extrêmement lumineuse de la vie d’une galaxie. De grandes quantités de matière tombent alors vers un trou noir supermassif central et libèrent une énergie considérable. Le noyau actif peut surpasser l’éclat du reste de sa galaxie hôte, de plusieurs centaines à plusieurs milliers de fois. Cette luminosité permet d’observer ces objets à des distances considérables et d’en sonder le milieu intergalactique.

Ces quasars anciens restent néanmoins difficiles à repérer. Ils sont rares, car peu de galaxies avaient eu le temps de former des noyaux aussi massifs. L’expansion cosmique étire en outre leur lumière vers le proche infrarouge, domaine dans lequel l’atmosphère terrestre produit un fond lumineux susceptible de masquer les signaux les plus faibles. Les relevés antérieurs détectaient donc surtout les objets les plus brillants et non leur population générale.

Une sélection rendue possible par le proche infrarouge

Euclid combine une vaste couverture du ciel, une imagerie fine dans le visible et une forte sensibilité dans le proche infrarouge. Son spectromètre et photomètre dans le proche infrarouge (NISP) et sa caméra dans le visible (VIS) peuvent détecter des quasars de dix à cent fois moins lumineux que ceux recensés par les précédents relevés à grand champ. L’étude repose sur environ 3 000 degrés carrés (deg²) de ciel observés durant les dix-huit premiers mois du relevé.

Des méthodes d’apprentissage automatique et des approches probabilistes ont analysé les images prises dans plusieurs bandes spectrales. La sélection recherchait notamment la rupture de Lyman-alpha, une chute du signal provoquée par l’absorption des courtes longueurs d’onde par l’hydrogène neutre. Des données provenant d’autres relevés astronomiques ont permis d’affiner la sélection des sources susceptibles d’être des quasars très lointains. Leur nature a ensuite été confirmée par spectroscopie avec les télescopes Keck et Magellan ainsi qu’avec le Grand Télescope Binoculaire (ou Large Binocular Telescope – LBT), un observatoire installé en Arizona, aux États-Unis. Le taux de confirmation proche de 30 % est présenté comme environ dix fois supérieur à celui des recherches précédentes.

Un nouvel échantillon pour étudier la réionisation

L’intérêt scientifique dépasse ce record de distance. Ces quasars les plus anciens appartiennent à l’époque de réionisation, période durant laquelle le gaz d’hydrogène neutre de l’Univers a progressivement été ionisé par les premières sources lumineuses. Leur spectre peut renseigner sur l’état du milieu intergalactique, tandis que leur abondance et leur luminosité permettent d’évaluer les différents scénarios expliquant la formation rapide des premiers trous noirs supermassifs.

L’existence de noyaux aussi puissants moins d’un milliard d’années après le Big Bang reste l’une des questions centrales de l’astrophysique. Un suivi du deuxième quasar le plus lointain a déjà montré qu’il se trouve dans une galaxie riche en gaz et en poussières, où la formation d’étoiles est intense. Ces observations suggèrent que l’étude conjointe du noyau actif et de sa galaxie hôte sera déterminante pour comprendre leur croissance parallèle, sans trancher les scénarios proposés.

Le relevé complet d’Euclid doit durer six ans. Les équipes anticipent la découverte de plusieurs centaines d’autres quasars à fort décalage vers le rouge, avec la possibilité d’atteindre des objets situés au-delà de 8. Les prochaines observations, associées à des télescopes opérant sur d’autres longueurs d’onde, devront préciser les masses des trous noirs, les propriétés des galaxies hôtes et l’environnement de ces sources. La prochaine grande diffusion de données d’Euclid est annoncée pour la fin 2026, ce qui devrait élargir encore le recensement des quasars de l’aube cosmique.