Les jets de particules chargées se propagent à une vitesse proche de celle de la lumière depuis certaines galaxies. Ces jets illuminent les télescopes radio et servent de repères pour comprendre comment les trous noirs façonnent le cosmos. Cependant, au-delà d’une certaine distance, leurs signaux se perdent dans le bruit micro-onde laissé par le Big Bang. Les astronomes ont longtemps soupçonné que de nombreuses galaxies primitives étaient porteuses de tels jets, mais, jusqu’à récemment, même les instruments les plus sensibles n’avaient révélé aucune trace de ces phénomènes.
Cela appartient désormais au passé. Une nouvelle image radio analysée révèle des lobes jumeaux s’étendant sur environ 66 000 années-lumière de chaque côté d’un quasar désigné J1601+3102. Ce quasar, dont les ondes radio ont commencé leur voyage à travers l’espace il y a plus de 12,1 milliards d’années, montre la galaxie telle qu’elle était à une époque où l’univers avait déjà accompli seulement environ neuf pour cent de son histoire.
Quasar J1601+3102
Ce quasar particulier, J1601+3102, fait partie d’un univers jeune – il est apparu lorsque le cosmos avait moins de 1,2 milliard d’années. Même à cette époque primitive, son trou noir central pesait environ 450 millions de fois celui de notre Soleil, assez pour attirer du gaz et de la poussière qui chauffent et émettent de la radiation à travers le spectre.
La plupart des jets radio à cette distance s’estompent avant d’atteindre nos antennes. L’image récente, capturée avec le Low Frequency Array ( LOFAR ), révèle une structure s’étendant sur près de 200 000 années-lumière – environ deux fois le diamètre de la Voie lactée, lorsque les deux lobes sont mesurés d’un bout à l’autre. La longueur impressionnante suggère un moteur soutenu qui a continué à expulser de la matière longtemps après que les premières étoiles aient illuminé l’univers.
“Nous cherchions des quasars avec de forts jets radio dans l’univers primitif pour mieux comprendre comment et quand ces jets se forment et comment ils influencent l’ évolution des galaxies ,” explique Anniek Gloudemans, chercheuse postdoctorale au NOIRLab , et auteur principal de l’étude décrivant cette découverte.
LOFAR : une clarté inhabituelle
Le LOFAR relie plus de 50 stations, allant de l’Irlande à la Pologne, transformant l’Europe en un immense plat qui excelle à capter des ondes radio à longue longueur d’onde. À ces fréquences, même les nuages d’électrons les plus ténus brillent, permettant au réseau de tracer toute la longueur d’un jet au lieu de ne capturer que ses noeuds brillants .
“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 cette structure soit petite. C’est donc avec surprise que l’image de LOFAR a révélé des structures radio grandes et détaillées,” déclare Frits Sweijen, chercheur postdoctoral à l’ Université de Durham et co-auteur de l’article.
“La nature de cette source lointaine rend difficile sa détection à des fréquences radio plus élevées, démontrant ainsi la puissance de LOFAR de manière autonome et ses synergies avec d’autres instruments.”
Travail d’équipe à travers les longueurs d’onde
Pour combler les lacunes, les chercheurs ont utilisé des données infrarouges du télescope Gemini North à Hawaï et des spectres optiques du Hobby Eberly Telescope au Texas. Ces observations ont permis de localiser la ligne d’émission de magnésium , révélant la vitesse à laquelle la matière spirale vers le trou noir et la rapidité à laquelle la galaxie entière s’éloigne en raison de l’expansion cosmique.
“C’est seulement parce que cet objet est si extrême que nous pouvons l’observer depuis la Terre, même s’il est très éloigné,” explique Gloudemans. “Cet objet montre ce que nous pouvons découvrir en combinant la puissance de plusieurs télescopes qui opèrent à différentes longueurs d’onde.”
Gros rejet de J1601+3102
Étonnamment, le moteur qui propulse cette immense structure n’est pas le monstre que les astronomes s’attendaient à découvrir. “Il est intéressant de noter que le quasar qui alimente ce jet radio massif n’a pas une masse extrême par rapport à d’autres quasars,” explique Gloudemans. “Cela semble indiquer qu’il n’est pas nécessaire de disposer d’un trou noir exceptionnellement massif ou d’un taux d’accrétion élevé pour générer de tels jets puissants dans l’univers primitif.”
Le lobe sud apparaît limité, tandis que le lobe nord s’étend au-delà, suggérant que le jet affronte des amas de gaz restants issus de la formation précoce des galaxies ou qu’il s’implique dans un halo voisin.
Détecter de tels jets distants est difficile, car l’ univers cosmique devient progressivement plus lumineux au fur et à mesure que les télescopes regardent plus loin dans le temps. Le fond micro-onde cosmique , après-brûlé du Big Bang , augmente d’intensité par rapport aux sources radio, ce qui empêche la détection. Seul un jet particulièrement puissant peut percer ce brouillard, ce qui explique pourquoi ces exemples étaient rares jusqu’à présent.
Que signifie tout cela ?
Chaque jet récemment repéré offre aux astronomes une nouvelle ligne de preuve sur la manière dont les trous noirs sculptent leurs galaxies hôtes. En expulsant du gaz du centre, un jet peut ralentir la formation d’étoiles ou, en remuant le gaz à la périphérie, déclencher plus de formation. La découverte de J1601+3102 montre que cette dynamique était déjà en cours lorsque l’univers était jeune, façonnant ainsi les galaxies que nous observons aujourd’hui. Des enquêtes radio plus sensibles et des télescopes infrarouges de nouvelle génération promettent de trouver des dizaines d’objets similaires dans les prochaines années. Chacun portera un message provenant d’une époque où l’espace était à peine éclairé, racontant comment un trou noir modeste a pu lancer un jet assez grand pour s’étendre sur trois Voies lactées et survivre à un voyage de 12 milliards d’années jusqu’à notre secteur.
La publication intégrale de l’étude a été réalisée dans *The Astrophysical Journal Letters*.
Image Crédit : NOIRLab/NSF/AURA/M. Garlick