Il y a environ 13 milliards d'années, alors que l'Univers était encore âgé de seulement 70 millions d'années à peine, des monstres gravitationnels dévoraient déjà la matière environnante avec une voracité extrême, brillant avec l'éclat de mille milliards de soleils. Aujourd'hui, le télescope spatial Euclid de l'Agence spatiale européenne (ESA) vient de lever le voile sur 31 de ces phénomènes lumineux extrêmes, appelés quasars, dont deux détiennent désormais le record des objets les plus anciens jamais observés dans l'histoire du cosmos.

Quand un trou noir devient plus lumineux qu'une galaxie

Pour comprendre l'ampleur de cette découverte, il faut d'abord saisir ce qu'est un quasar. Il s'agit d'une phase brève mais spectaculaire dans la vie d'une galaxie : en son centre, un trou noir supermassif attire et engloutit d'énormes quantités de gaz et de poussière. Cette matière, en spiralant vers l'horizon des événements, s'échauffe à des températures extrêmes et libère une énergie colossale sous forme de rayonnement. Le résultat est spectaculaire : le noyau devient si brillant qu'il éclipse littéralement le reste de sa galaxie hôte, la surpassant en luminosité de plusieurs centaines à plusieurs milliers de fois.

Deux records de distance cosmique

Parmi les 31 nouveaux quasars détectés par Euclid, deux se distinguent particulièrement : EUCL J172902.75+641018.1 et EUCL J125308.55+705432.3, affichant des décalages vers le rouge (redshift) respectifs de 7,77 et 7,69. Cette mesure du redshift n'est pas anodine : elle indique à quel point la lumière de ces objets a été « étirée » par l'expansion de l'Univers durant son trajet jusqu'à nous.

Ces deux quasars nous montrent l'Univers tel qu'il était il y a environ 13 milliards d'années, quand le cosmos n'avait que 670 millions d’années

Plus le redshift est élevé, plus l'objet est ancien. Avec de telles valeurs, ces deux quasars nous montrent l'Univers tel qu'il était il y a environ 13 milliards d'années, quand le cosmos n'avait que 670 millions d'années, soit à peine 5% de son âge actuel. « Ces quasars primitifs remontent à la prime jeunesse de l'Univers, explique Daming Yang, chercheur à l'université de Leyde et auteur principal de l'étude. En les identifiant et en les étudiant, nous pouvons mieux comprendre comment ces systèmes gigantesques se sont formés et ont grandi si rapidement. »

Un changement d'échelle inédit dans la recherche astronomique

Si la découverte de quasars aussi anciens n'est pas totalement inédite en soi, c'est la rapidité et l'ampleur de cette moisson qui bouleversent aujourd'hui le domaine. Ces objets primordiaux sont en effet notoirement difficiles à débusquer, et ce, pour deux raisons. D'abord, ils sont extrêmement rares : à cette époque reculée, peu de galaxies avaient eu le temps de grossir suffisamment pour engendrer un trou noir supermassif capable de produire un tel rayonnement. Ensuite, leur lumière, déjà ténue après un si long voyage à travers l'Univers, se confond facilement avec celle d'étoiles bien plus proches de nous.

Cette double contrainte explique pourquoi la traque de ces quasars primitifs progressait jusqu'ici si lentement : il avait fallu plus de dix ans aux astronomes pour identifier une dizaine de spécimens présentant un redshift supérieur à 7, et ce, en se limitant nécessairement aux objets les plus brillants, les seuls suffisamment lumineux pour être détectés avec les instruments disponibles.

En une seule année d'observation, Euclid a permis d'identifier 12 nouveaux quasars aussi anciens, faisant plus que doubler le nombre total connu à ce jour. « Euclid révolutionne véritablement la donne, confirme Daming Yang. Auparavant, nous ne pouvions repérer qu'une poignée des quasars primitifs les plus brillants ; Euclid nous permet désormais d'effectuer des recherches bien plus efficaces sur de vastes étendues du ciel et de capter une lumière beaucoup plus ténue. »

Cette prouesse technique s'explique par une combinaison unique de qualités : une large couverture du ciel, une grande profondeur d'observation, une imagerie extrêmement nette, et surtout une vision infrarouge indispensable pour capter cette lumière primordiale, dont le spectre a été décalé vers l'infrarouge par l'expansion cosmique.

Le casse-tête de la croissance ultra-rapide

Au-delà de la prouesse technique, cette découverte relance un débat scientifique majeur : comment des trous noirs ont-ils pu atteindre des masses aussi colossales en un temps cosmique aussi court ? À peine 670 millions d'années, c'est extraordinairement bref à l'échelle de l'Univers pour permettre à un trou noir de grossir suffisamment pour générer un rayonnement aussi puissant.

Cette énigme touche au cœur même des modèles théoriques actuels sur la formation des structures cosmiques. Les scientifiques s'interrogent : ces trous noirs ont-ils grandi par accrétion progressive de matière, ou existaient-ils déjà sous forme de « graines » massives dès les premiers instants de l'Univers ?

Une étude complémentaire menée par Silvia Belladitta (ESA) sur l'un de ces quasars a révélé des informations précieuses : l'objet se trouve niché au sein d'une galaxie riche en gaz et en poussière, en pleine effervescence de formation d'étoiles. Un indice précieux sur l'environnement qui a pu permettre une croissance aussi rapide.

Vers l'aube cosmique : la réionisation

Ces quasars nous ramènent également à une période charnière de l'histoire de l'Univers : l'époque de la réionisation. C'est le moment où le cosmos a basculé d'un état froid et neutre (les fameux « âges sombres ») vers un état chaud et ionisé, où la matière a été dissociée sous l'effet d'un rayonnement intense. Cette transition a littéralement préparé le terrain pour tout ce que nous observons aujourd'hui dans l'Univers. Les quasars, par leur luminosité extrême, pourraient avoir joué un rôle actif dans ce processus de transformation cosmique. Une hypothèse que les scientifiques cherchent encore à confirmer.

Un « recensement » pour mieux comprendre

Ce qui rend cette découverte particulièrement précieuse pour la communauté scientifique, c'est qu'elle permet enfin d'étudier les quasars primordiaux non plus comme des cas isolés et exceptionnels, mais comme une véritable population statistique.

« Pour la première fois, l'équipe Euclid a réalisé un véritable "recensement" des quasars à l'aube de l'Univers, souligne Antonio La Marca, chercheur de l'ESA. C'est une étape majeure pour comprendre ces objets fascinants à un niveau plus fondamental. »

Cette approche statistique ouvre la voie à des analyses beaucoup plus robustes : au lieu d'extrapoler des théories à partir de quelques spécimens exceptionnels, les astronomes peuvent désormais comparer, croiser et modéliser le comportement de ces objets à plus grande échelle.

Et maintenant ?

Cette découverte n'est probablement que la première étape d'une exploration plus vaste. Avec sa mission qui se poursuit, Euclid devrait continuer à débusquer d'autres quasars primordiaux, enrichissant progressivement ce recensement cosmique. Des observations complémentaires, notamment avec le télescope spatial James-Webb, permettront sans doute d'analyser plus finement la composition et l'environnement de ces objets extrêmes.

« Les capacités d'Euclid sont inégalées, conclut Valeria Pettorino, scientifique du projet à l'ESA. Cette combinaison unique nous permet de repérer des objets rares et extrêmement lointains avec une efficacité bien supérieure à celle d'autrefois ». Une chose est sûre : chaque nouveau quasar détecté est une fenêtre ouverte sur les tout premiers instants de notre Univers, nous rapprochant un peu plus de la compréhension de nos origines cosmiques les plus lointaines.

15 des 31 quasars découverts par Euclid, dont EUCL J172902.75+641018.1 et EUCL J125308.55+705432.3, qui existaient déjà à une époque où l'Univers n'avait que 670 millions d'années, soit à peine 5 % de son âge actuel. © ESA

La parole à Daming Yang, doctorant à l'Observatoire de Leyde et auteur principal de l'article scientifique annonçant la découverte d'Euclid

Futura : Comment distinguez-vous avec certitude un quasar primordial d'une étoile froide plus proche ? Le communiqué mentionne que c'est une source de confusion fréquente. Quel est le taux d'erreur ou de faux positifs dans vos 31 détections ?

Daming Yang : Sur la seule base des images multibandes, il est vrai que les étoiles froides de notre propre galaxie, les naines brunes, peuvent présenter une ressemblance troublante avec les quasars lointains. Les deux types d'objets apparaissent en effet comme des sources compactes, brillantes dans le proche infrarouge, mais extrêmement faibles, voire totalement invisibles, dans le spectre optique.

Cette similitude apparente s'explique cependant par des mécanismes physiques radicalement différents, ce qui permet de distinguer clairement leurs spectres respectifs. Les quasars primordiaux portent une signature caractéristique : la « rupture de Lyman-alpha », accompagnée du « creux de Gunn-Peterson ». Cette empreinte est causée par les vastes réservoirs d'hydrogène neutre présents entre ces quasars et nous, qui absorbent une partie de leur lumière durant son long voyage à travers l'Univers. Les naines brunes, elles, ne présentent jamais cette signature, puisqu'elles se trouvent bien plus près de nous, en dehors de ces zones d'absorption.

C'est pourquoi la spectroscopie constitue l'étape décisive et incontournable de notre méthode. Toute liste de candidats initialement établie à partir de simples images contient inévitablement quelques « faux positifs », c'est-à-dire des naines brunes se faisant passer pour des quasars lointains. Mais, dans notre étude, chacun des 31 quasars présentés a été confirmé par spectroscopie, ce qui élimine cette source d'erreur et garantit la fiabilité de nos identifications.

Euclid n'est pas conçu spécifiquement pour chasser les quasars. Comment avez-vous exploité ses données (conçues pour l'étude de la matière noire/énergie noire) pour cette découverte inattendue ?

Daming Yang : Vous avez raison, Euclid n'a effectivement pas été conçu à l'origine pour traquer les quasars. Mais comme c'est souvent le cas avec les missions spatiales, les astronomes s'efforcent toujours d'en tirer le meilleur parti possible, bien au-delà des objectifs initiaux. Ces applications complémentaires ont d'ailleurs fait l'objet de discussions approfondies dès la phase de planification d'Euclid : elles relèvent de ce que nous appelons sa « science héritée » (legacy science).

Et il se trouve que la conception même d'Euclid en fait, presque naturellement, l'instrument idéal pour rechercher des quasars à fort décalage vers le rouge. Trois caractéristiques techniques expliquent cette adéquation inattendue : ses observations dans le proche infrarouge (essentielles pour capter la lumière de ces objets très lointains), sa position dans l'espace, à l'abri des perturbations atmosphériques, et surtout sa capacité unique à combiner vitesse de balayage et profondeur d'observation sur de vastes portions du ciel. Aucun autre instrument en service ne peut rivaliser avec cette combinaison.

Cette même logique s'applique d'ailleurs à d'autres domaines relevant de cette « science héritée », comme l'étude des effets de lentille gravitationnelle, qui bénéficient eux aussi de ces atouts techniques initialement pensés pour percer les mystères de la matière noire et de l'énergie noire.

Quelle est la masse de ces trous noirs supermassifs primitifs ? Surtout : comment expliquez-vous qu'ils aient pu atteindre une telle masse en seulement 670 millions d'années ? Cela remet-il en question les modèles standards de croissance des trous noirs (accrétion classique vs. « graines » de trous noirs déjà massives dès le départ) ?

Daming Yang : Nous ne connaissons pas encore leur masse exacte. Pour la déterminer précisément, il faut mener des observations de suivi ciblant le gaz en mouvement dans le voisinage immédiat du trou noir. Ce travail reste à faire. Néanmoins, sur la base de ce que nous observons déjà, nous nous attendons à ce que ces quasars abritent des trous noirs d'une masse comprise entre environ 100 millions et 1 milliard de masses solaires, soit déjà des géants, comparables aux trous noirs les plus massifs que l'on trouve au centre des galaxies actuelles.

Quant à savoir comment ils ont pu atteindre une telle masse en seulement 670 millions d'années, c'est précisément là que réside l'une des questions ouvertes les plus anciennes et les plus tenaces de notre domaine. Plusieurs chercheurs ont proposé des scénarios alternatifs pour tenter de résoudre ce paradoxe : des « graines » de trous noirs exotiques, déjà massives dès l'origine, ou encore des mécanismes d'accrétion non conventionnels, capables de faire grossir un trou noir bien plus rapidement que ne le prévoit la physique classique.

Ce qui est certain, c'est que les études portant sur les quasars à fort décalage vers le rouge suggèrent de plus en plus que le modèle standard (une croissance progressive par accrétion classique à partir d'un trou noir de masse stellaire) peine à expliquer une croissance aussi rapide. Cela dit, nous ignorons encore véritablement quel mécanisme a permis la formation et la croissance de ces tout premiers trous noirs supermassifs. C'est précisément en découvrant des quasars à des époques cosmiques toujours plus reculées, et en les observant à différents stades de leur évolution, que nous espérons progressivement percer ce mystère.

Est-ce que ces découvertes favorisent une théorie plutôt qu'une autre sur l'origine des premiers trous noirs supermassifs (effondrement direct de nuages de gaz géants vs. fusions successives de trous noirs stellaires) ?

Daming Yang : Cette question est étroitement liée à la précédente. Certains quasars à fort décalage vers le rouge semblent en effet trop massifs compte tenu de leur jeune âge cosmique, et dans ces cas extrêmes, seuls des « germes » d'emblée massifs, comme des trous noirs issus de l'effondrement direct de nuages de gaz géants, semblent capables d'expliquer une croissance aussi rapide. Les fusions successives de trous noirs stellaires, plus progressives, auraient tout simplement besoin de trop de temps.

D'autres quasars, en revanche, présentent des masses plus modestes, compatibles avec des scénarios de croissance moins extrêmes : ils ne nécessitent pas nécessairement des conditions de formation aussi exceptionnelles, et pourraient tout à fait résulter de fusions successives ou d'une accrétion soutenue à partir de germes plus légers.

La réponse honnête est donc que nos données actuelles ne permettent pas encore de trancher de manière décisive en faveur d'un mécanisme unique. Il est même tout à fait possible que la nature ne se limite pas à un seul scénario : les deux mécanismes pourraient coexister, chacun dominant selon les conditions locales telles que la densité de gaz disponible, l'environnement galactique, ou encore l'époque cosmique considérée. C'est justement en élargissant notre échantillon de quasars primordiaux, comme nous venons de le faire, que nous pourrons commencer à cartographier quelles conditions favorisent tel ou tel mécanisme.

Prévoyez-vous d'utiliser le JWST pour faire un suivi spectroscopique détaillé de ces 31 quasars ? Qu'espérez-vous y découvrir de plus : composition chimique, masse précise, environnement galactique… ?

Daming Yang : Oui, tout à fait : nous disposons déjà d'un programme JWST approuvé visant à étudier ces sources en profondeur. Nos objectifs sont multiples : mesurer précisément la masse des trous noirs, ce qui répondra en partie à la question que vous posiez ci-dessus, analyser la composition chimique du gaz situé à proximité immédiate de ces derniers, et comprendre comment ces trous noirs supermassifs influencent la formation et l'évolution de leurs galaxies hôtes dans l'Univers primitif.

Mais l'intérêt de ces quasars dépasse largement l'étude des trous noirs eux-mêmes. Ils font également office de véritables balises cosmiques. Leur lumière parcourt des milliards d'années-lumière pour nous parvenir, traversant au passage l'immense réservoir de gaz situé entre les galaxies. En analysant précisément la manière dont cette lumière a été absorbée durant son trajet, nous pouvons reconstituer quand et comment ce gaz intergalactique s'est progressivement ionisé.

Autrement dit, ces spectres de quasars nous permettent littéralement de lire l'histoire de la réionisation cosmique, cette période charnière où l'Univers est passé d'un état neutre et opaque à un état ionisé et transparent, directement inscrite dans la lumière qu'ils nous envoient.

Nous espérons bien sûr obtenir encore davantage de temps d'observation avec le télescope spatial James Webb à l'avenir : ces objets recèlent un potentiel scientifique considérable, et nous n'en sommes probablement qu'au tout début de ce qu'ils peuvent nous apprendre sur les premiers âges de l'Univers.

Ces quasars ont-ils vraiment joué un rôle actif dans la réionisation de l'Univers, ou sont-ils plutôt des témoins passifs de cette époque ? Comment quantifiez-vous leur contribution énergétique par rapport aux étoiles massives, qui sont l'autre candidat principal ?

Daming Yang : C'est une distinction importante, et la communauté scientifique s'accorde désormais largement à considérer que les galaxies, via leurs étoiles massives, ont été les principaux acteurs de la réionisation, même si la question de savoir quelle population précise de galaxies a dominé ce processus fait encore l'objet d'un débat animé.

Le rôle des quasars dans ce domaine de recherche est en réalité assez différent de celui d'acteurs énergétiques directs. Plutôt que d'émettre eux-mêmes l'essentiel de la lumière ionisante responsable de la réionisation, ils nous servent avant tout de sources lumineuses de fond : ce sont, en quelque sorte, des « phares » dont la lumière traverse le gaz intergalactique et nous permet d'observer, en creux, comment ce gaz s'est progressivement ionisé. C'est cette technique qui nous permet de reconstituer la chronologie précise de la réionisation, le « quand », plutôt que de mesurer directement le « combien » d'énergie ils y ont contribué.

Avec ce travail, Euclid transforme cette prédiction en réalité observationnelle, ouvrant ainsi une nouvelle étape dans l'exploration systématique de l'Univers primitif

Cela dit, votre question sur leur contribution énergétique propre reste tout à fait légitime, et ce n'est pas parce que les galaxies dominent globalement que les quasars sont totalement négligeables. Leur contribution reste débattue, notamment aux époques les plus reculées où les galaxies étaient encore peu nombreuses.

Pour trancher cette question, nous devons mesurer précisément leur fonction de luminosité, c'est-à-dire la densité numérique de quasars à différents niveaux de luminosité, à cette époque cosmique. C'est précisément le type de mesure statistique à grande échelle qu'un relevé comme Euclid rend possible, grâce à sa capacité à couvrir de vastes portions du ciel avec une profondeur suffisante pour détecter un grand nombre de ces objets rares. C'est d'ailleurs l'un des principaux axes de recherche de notre équipe à l'heure actuelle.

Si vous deviez résumer en une phrase ce que cette découverte change concrètement à notre compréhension de l'Univers primitif, que diriez-vous ?

Daming Yang : Nous savions depuis longtemps que ces « monstres » cosmiques devaient exister quelque part et qu'ils détenaient la clé de nombreux mystères de l'Univers primitif mais, jusqu'ici, ce n'était qu'une prédiction théorique ; avec ce travail, Euclid transforme cette prédiction en réalité observationnelle, ouvrant ainsi une nouvelle étape dans l'exploration systématique de l'Univers primitif.