Les astronomes ont récemment découvert le plus grand et le plus ancien jet radio jamais détecté, émis par un quasar datant d’une époque où l’univers n’avait que 1,2 milliard d’années. Ce phénomène cosmique, connu sous le nom de J1601+3102, a été observé grâce au réseau de télescopes LOFAR et s’étend sur 200 000 années-lumière , soit près de trois fois le diamètre de notre galaxie Voie lactée. La découverte, détaillée dans le The Astrophysical Journal Letters, offre un aperçu des processus dramatiques qui façonnent l’évolution précoce des galaxies ainsi que des capacités inattendues des trous noirs modestes dans un univers encore jeune.
Un jet colossal issu d’un trou noir modeste
Ce qui rend J1601+3102 particulièrement fascinant, ce n’est pas seulement son immense taille, mais aussi sa source. Le quasar, visible à une époque où l’univers ne représentait que neuf pour cent de son âge actuel, est alimenté par un trou noir ayant une masse d’environ 450 millions de masses solaires . Bien que cela soit considérable, cela n’est pas considéré comme extrême dans la hiérarchie cosmique des quasars. “De manière intéressante, le quasar qui alimente ce jet radio massif n’a pas de masse de trou noir extrême comparé à d’autres quasars”, explique Anniek Gloudemans, chercheuse postdoctorale au NOIRLab et auteur principal de l’étude. “Cela semble indiquer qu’il n’est pas nécessaire d’avoir un trou noir exceptionnellement massif ou un taux d’accrétion élevé pour générer de tels jets puissants dans l’univers primitif.”
Ces jets radio sont composés de particules chargées éjectées à des vitesses proches de celle de la lumière, formant des lobes qui brillent dans les longueurs d’onde radio. Dans ce cas, les deux lobes s’étendent sur environ 66 000 années-lumière de chaque côté du quasar central. Leur visibilité depuis la Terre—malgré le passage de plus de 12 milliards d’années —met en évidence l’énergie puissante de ce phénomène. “C’est uniquement parce que cet objet est si extrême que nous pouvons l’observer depuis la Terre, même s’il est vraiment éloigné,” ajoute Gloudemans.
LOFAR révèle ce que d’autres n’ont pas pu voir
Le Low Frequency Array (LOFAR), un système de télescopes paneuropéens, a joué un rôle essentiel dans cette découverte. Composé de plus de 50 stations à travers des pays allant de l’Irlande à la Pologne, LOFAR forme un miroir virtuel capable de détecter des signaux radio à très longues longueurs d’onde. Ces basses fréquences sont particulièrement utiles pour révéler les lobes radio ténus de galaxies lointaines que d’autres télescopes ont souvent du mal à capturer. “Lorsque nous avons commencé à examiner cet objet, nous nous attendions à ce que le jet sud ne soit qu’une source voisine non liée, et que la plupart de ses caractéristiques soient petites,” a déclaré Frits Sweijen, chercheur postdoctoral à l’Université de Durham et co-auteur de l’étude. “Il a donc été assez surprenant de voir que l’image obtenue grâce à LOFAR révélait de grandes structures radio détaillées.”
La sensibilité avancée de LOFAR permet aux astronomes de visualiser de ténus nuages d’électrons, et pas seulement les parties les plus brillantes des jets. “La nature de cette source lointaine rend difficile sa détection à des fréquences radio plus élevées, démontrant ainsi l’efficacité de LOFAR par lui-même et ses synergies avec d’autres instruments,” ajoute Sweijen. Sans LOFAR, l’ampleur totale de J1601+3102 aurait pu rester invisible, dissimulée par la luminosité de l’univers cosmique micro-ondes laissé par le Big Bang.
Des observations multispectrales pour une vue d’ensemble
Tandis que LOFAR a fourni la détection initiale, une vue complète de J1601+3102 nécessitait un éventail d’autres instruments. Les chercheurs ont incorporé des observations infrarouges du Télescope Gemini Nord à Hawai‘i et de la spectroscopie optique du Télescope Hobby-Eberly au Texas. Ces données ont permis de confirmer la distance du quasar et ses lignes d’émission en magnésium décalées vers le rouge, indiquant le mouvement de la galaxie et la dynamique de la matière tombant dans le trou noir.
“Cet objet montre ce que nous pouvons découvrir en combinant la puissance de plusieurs télescopes qui fonctionnent à différentes longueurs d’onde,” a noté Gloudemans. Chaque couche d’observation a révélé un aspect différent : de la structure du jet aux propriétés de la galaxie hôte, ainsi que l’environnement dans lequel le jet progresse. Étonnamment, le lobe sud du jet semble tronqué, probablement en raison d’interférences avec des nuages de gaz ou des halos voisins, tandis que le lobe nord s’étend librement dans l’espace intergalactique. Ces asymétries fournissent des indices sur la façon dont les galaxies primitives se sont formées et interagissaient avec leur environnement.