Le trou noir du quasar J0100+2802 stoppe la formation d'étoiles

Les trous noirs supermassifs fonctionnent comme des « prédateurs cosmiques » capables d'étouffer la formation d'étoiles non seulement au sein de leurs galaxies hôtes, mais aussi à travers les systèmes voisins situés à des millions d'années-lumière. Une nouvelle recherche menée par l'University of Arizona indique que le rayonnement intense émis par les trous noirs actifs — connus sous le nom de quasars — chauffe et disperse l'hydrogène moléculaire gazeux froid nécessaire à la naissance des étoiles. Cette découverte, publiée dans The Astrophysical Journal Letters le 3 décembre 2025, suggère que l'évolution des galaxies est un « effort de groupe » interconnecté plutôt qu'un processus isolé, changeant fondamentalement notre compréhension de la croissance de l'univers primitif.

L'étude, dirigée par le chercheur postdoctoral Yongda Zhu de l'Steward Observatory, a utilisé la sensibilité sans précédent du James Webb Space Telescope (JWST) pour observer l'univers lointain. En examinant l'environnement entourant l'un des trous noirs les plus massifs jamais découverts, l'équipe a identifié une « zone de suppression » où la formation d'étoiles était considérablement entravée. Cette découverte fournit une explication longtemps recherchée sur la raison pour laquelle certaines galaxies primitives apparaissent « mortes » ou quiescentes malgré leur présence dans des environnements riches en gaz.

Qu'est-ce que le quasar J0100+2802 et pourquoi est-il important ?

Le quasar J0100+2802 est un noyau galactique actif hyperlumineux situé à 12,8 milliards d'années-lumière, alimenté par un trou noir supermassif d'une masse égale à 12 milliards de fois celle du soleil. Apparu seulement 900 millions d'années après le Big Bang, cet objet est crucial car sa luminosité extrême — 420 billions de fois celle de notre soleil — agit comme un phare cosmique, permettant aux astronomes de sonder les conditions du milieu intergalactique pendant l'Époque de la réionisation.

Les observations de J0100+2802 représentent une fenêtre sur l'enfance de l'univers, offrant un laboratoire pour étudier la coévolution des trous noirs et des galaxies. Parce que ce trou noir est si massif et actif, il sert d'étude de cas extrême pour la rétroaction radiative. L'énergie libérée lorsque la matière tourbillonne dans l'horizon des événements crée un disque de gaz et de poussière dont l'éclat surpasse celui de toute sa galaxie hôte, le rendant visible à travers l'immensité de l'espace et du temps.

L'importance de J0100+2802 réside dans ses mesures record et son placement dans la chronologie cosmique :

• Masse : Environ 12 milliards de masses solaires.
• Luminosité : Équivalente à 420 billions de soleils.
• Décalage vers le rouge (redshift) : z = 6,30, remontant à l'époque où l'univers avait moins d'un milliard d'années.
• Distance : 12,8 milliards d'années-lumière de la Terre.

Les trous noirs supermassifs peuvent-ils agir comme des prédateurs cosmiques ?

Les trous noirs supermassifs agissent comme des prédateurs cosmiques en émettant un rayonnement intense qui prive les galaxies proches du gaz froid nécessaire à la formation des étoiles. Ce processus, appelé rétroaction intergalactique, implique que le quasar « consomme » la matière locale tout en libérant simultanément des torrents d'énergie qui perturbent l'équilibre écologique de la toile cosmique environnante, affamant ainsi les galaxies voisines de leur potentiel de croissance.

Les modèles traditionnels de l'évolution galactique supposaient que les galaxies étaient largement indépendantes en raison des distances vastes qui les séparent. Cependant, Yongda Zhu et son équipe de l'University of Arizona ont découvert qu'un seul trou noir hyperactif peut exercer une sphère d'influence s'étendant sur au moins un million d'années-lumière. Dans ce rayon, le rayonnement du quasar scinde l'hydrogène moléculaire — le principal carburant des étoiles — en un état ionisé qui ne peut pas s'effondrer sous l'effet de la gravité pour former de nouveaux corps stellaires.

Ce comportement « prédateur » crée un effet d'entraînement dans tout l'écosystème galactique local. À l'instar d'un superprédateur dans un environnement terrestre, le quasar central dicte la population et la croissance des « espèces » (galaxies) qui l'entourent. En empêchant le refroidissement du gaz dans les systèmes voisins, le trou noir garantit que ces galaxies restent petites et sous-développées, stoppant ainsi prématurément leur progrès évolutif.

Comment les données du JWST montrent-elles une formation d'étoiles réprimée près des quasars ?

Les données du JWST révèlent une formation d'étoiles réprimée grâce à la mesure des émissions d'O III (oxygène doublement ionisé), qui servent de traceur chimique de l'activité stellaire récente. En utilisant les instruments NIRCam et NIRSpec, les chercheurs ont observé que les galaxies situées dans un rayon d'un million d'années-lumière du quasar J0100+2802 présentaient des signaux O III nettement plus faibles par rapport à leur lumière ultraviolette, indiquant une absence de nouvelles naissances d'étoiles.

Le James Webb Space Telescope a été essentiel pour cette découverte car l'expansion de l'univers a étiré la lumière de ces galaxies primitives vers le spectre infrarouge. Les observatoires précédents, tels que Hubble, n'avaient pas la sensibilité infrarouge nécessaire pour détecter les faibles signaux de l'oxygène ionisé à des distances aussi extrêmes. Les données haute résolution fournies par le JWST ont permis aux chercheurs de distinguer la lumière du quasar des signatures subtiles des 117 galaxies environnantes identifiées dans l'étude.

Il est intéressant de noter que l'équipe a d'abord cru que le télescope pouvait dysfonctionner lorsqu'elle a vu moins de galaxies que prévu près du quasar. « Nous étions perplexes », a déclaré Zhu. « Puis nous avons réalisé que les galaxies pourraient effectivement être là, mais difficiles à détecter parce que leur formation d'étoiles très récente a été supprimée. » Cette suppression est mise en évidence par le rapport plus faible d'émission d'O III, ce qui confirme que la rétroaction radiative du trou noir a atteint et perturbé les nuages de gaz froid dans ces systèmes voisins.

Les facteurs technologiques clés ayant permis cette recherche incluent :

• Imagerie NIRCam : A capturé des images haute résolution de galaxies dans l'univers primitif.
• Spectroscopie NIRSpec : A permis la mesure précise d'éléments chimiques comme l'oxygène et l'hydrogène.
• Sensibilité infrarouge : A surmonté les obstacles du décalage vers le rouge qui gênaient les télescopes précédents.
• Large champ de vision : A cartographié la distribution des galaxies sur un rayon d'un million d'années-lumière.

Les implications de cette recherche s'étendent à notre propre galaxie, la Voie lactée. Les astronomes pensent que notre trou noir central, Sagittarius A*, a probablement traversé une phase de quasar dans un passé lointain. Comprendre comment les anciens quasars comme J0100+2802 ont influencé leur environnement aide les scientifiques à reconstituer l'histoire de notre groupe local de galaxies et l'architecture plus large de la toile cosmique.

À l'avenir, l'équipe de l'University of Arizona prévoit d'étendre son étude à d'autres champs de quasars pour déterminer si ce comportement « prédateur » est un trait universel de tous les trous noirs supermassifs. Si ces découvertes se confirment dans plusieurs régions de l'univers primitif, les scientifiques devront réviser radicalement leurs simulations sur la formation des premières structures du cosmos. Le James Webb Space Telescope continuera d'être l'outil principal de ces investigations, effeuillant les couches du temps pour révéler comment les objets les plus violents de l'univers ont façonné les galaxies tranquilles que nous observons aujourd'hui.