Quasars : Les Phares du Cosmos lointain

Quasar 3C 273, capturé par la caméra WFPC2 du télescope Hubble — Cette image du **Quasar 3C 273**, capturée par la caméra WFPC2 du **télescope Hubble**, est l'une des meilleures disponibles. Situé dans une galaxie elliptique géante de la constellation de la Vierge, sa lumière a voyagé pendant environ 2,2 milliards d'années avant de nous parvenir. Premier quasar identifié, en 1963, par Maarten Schmidt, il reste l'un des plus proches et des plus brillants connus. Les tâches floues, sur l'image, sont des galaxies.
Source image : ESA/Hubble et NASA (nouvelle fenêtre).

Résumé scientifique

Les quasars sont les noyaux extrêmement lumineux de galaxies lointaines, alimentés par l'accrétion de matière sur un trou noir supermassif. Leur luminosité typique atteint 10³⁹ à 10⁴¹ watts (jusqu'à environ 10¹⁴ fois celle du Soleil pour les quasars les plus extrêmes), provenant de la conversion d'énergie gravitationnelle en rayonnement, décrite par E=ηmc² (où η est le rendement de conversion, de l'ordre de 0,06 à 0,4 selon la rotation du trou noir). Observés à des décalages vers le rouge (redshift) élevés (z>7), certains quasars, dont le détenteur actuel du record de distance découvert par le télescope spatial Euclid en 2026, sont des sondes uniques pour étudier l'Univers primordial et la réionisation cosmique. Ils représentent une phase transitoire dans l'évolution des galaxies, liée à la coévolution avec leur trou noir central.

Qu'est-ce qu'un quasar et en quoi est-il un phare cosmique pour comprendre les premiers âges de l'Univers ?

Un quasar n'est ni une étoile ni une galaxie, mais le phénomène d'activité extrême du noyau d'une galaxie. Son moteur est un trou noir supermassif (des millions à des dizaines de milliards de masses solaires) qui engloutit la matière environnante. Ce processus d'accrétion génère un disque de gaz incandescent et des jets de particules, libérant une énergie phénoménale, jusqu'à 10⁴¹ watts pour les quasars les plus lumineux, surpassant la lumière combinée de dizaines de milliers de galaxies. L'article explique que ces objets, observés à des distances de plus de 12 milliards d'années-lumière, agissent comme des balises temporelles. Leur lumière, émise alors que l'Univers n'avait qu'une fraction de son âge actuel, permet aux scientifiques de sonder les époques reculées, comme celle de la réionisation cosmique, lorsque l'Univers est passé d'un état neutre à ionisé. En étudiant leur spectre et leur redshift, nous pouvons retracer l'histoire de la formation des structures cosmiques.

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Découverte et puissance des quasars

Les quasars (pour « quasi-stellar radio source ») sont parmi les objets les plus lumineux et énergétiques de l'Univers connu. Découverts en 1963 par Maarten Schmidt (1929-2022), qui identifia le redshift extrême du quasar 3C 273, ils émettent des rayonnements capables de rivaliser avec la lumière de dizaines de milliers de galaxies entières. Leur puissance découle de l'accrétion (accrétion: processus d'attraction de matière par un objet massif sous l'effet de la gravité) de matière sur un trou noir supermassif situé au centre d'une galaxie active.

Nature physique d'un quasar

Un quasar n'est ni un simple trou noir, ni une galaxie. Il s'agit d'un état d'activité du noyau galactique, et non d'un type d'objet isolé. Le quasar désigne le phénomène d'activité extrême observé au centre de certaines galaxies, et non l'objet matériel lui-même.

Conclusion physique

Le trou noir est le moteur énergétique, le quasar le phénomène observable produit par ce moteur, et la galaxie hôte le cadre gravitationnel qui contient l'ensemble du système.

Luminosité et énergie

La luminosité totale d'un quasar s'étend typiquement de \( 10^{39} \) à \( 10^{41}\ \mathrm{W} \), soit de \(10^{12}\) à \(10^{14}\) fois celle du Soleil. Le quasar le plus lumineux connu à ce jour, SDSS J0100+2802 (z = 6,30), atteint environ \(3 \times 10^{41}\) W, soit \(4,3 \times 10^{14}\) fois la luminosité solaire — l'équivalent de 40 000 fois l'éclat combiné des 400 milliards d'étoiles de la Voie lactée. Une telle énergie ne peut provenir que d'un mécanisme gravitationnel efficace. La conversion de masse en énergie suit l'équation relativiste \(\,E = \eta m c^2\,\), où \(\eta\) représente le rendement de conversion d'un disque d'accrétion relativiste : environ 0,06 pour un trou noir de Schwarzschild non rotatif, et jusqu'à 0,4 pour un trou noir de Kerr en rotation quasi maximale.

N.B. :
Une galaxie active possède un noyau extrêmement lumineux, alimenté par l'accrétion (accrétion: attraction gravitationnelle de matière) de gaz sur un trou noir supermassif. Cette énergie, de l'ordre de \(10^{39}\) à \(10^{41}\ \mathrm{W}\), décrite par \(\,E = \eta m c^2\,\), fait des AGN (noyaux actifs de galaxies) les sources continues les plus puissantes de l'Univers observable.

Des distances extrêmes et un fort décalage vers le rouge

Les quasars se situent à des distances cosmologiques considérables, parfois supérieures à 13 milliards d'années-lumière. Leur spectre présente un fort redshift (décalage spectral vers le rouge, indicateur de la vitesse d'éloignement cosmique) (\(z>7\) pour les plus lointains connus), témoignant d'une émission survenue lorsque l'Univers n'avait que 5 à 10 % de son âge actuel.

Des balises temporelles pour la réionisation

Ces mesures permettent aux astrophysiciens d'étudier l'époque de la réionisation cosmique, c'est-à-dire la transition de l'Univers entre un état neutre et ionisé. Les quasars, en illuminant le milieu intergalactique, sont de véritables balises temporelles de la formation des structures cosmiques.

Redshift et distances des quasars

La durée de vie active du quasar (qui est de l'ordre de quelques millions à quelques dizaines de millions d'années) est indépendante de la durée que met la lumière à nous parvenir (2,2 milliards d'années pour le Quasar 3C 273). Que le quasar soit encore actif aujourd'hui ou qu'il se soit éteint depuis longtemps, la lumière que nous recevons a bien voyagé pendant des milliards d'années.

Exemples de redshift et distances associées pour des quasars
Quasar	Redshift (z)	Distance approximative (milliards d'années-lumière)	Commentaire
3C 273	0,158	2,2	Premier quasar identifié (1963), relativement proche, très étudié
PG 1302-102	0,278	3,5	Candidat binaire de trous noirs supermassifs, variabilité optique périodique de 5,2 ans, interprétation encore débattue
Q0957+561 (« quasar double »)	1,41	8,7	Premier système de lentille gravitationnelle jamais identifié (1979), image dédoublée par une galaxie interposée à z = 0,36
QSO B1422+231	3,62	11,6	Quasar quadruplement imagé par lentille gravitationnelle, utilisé pour sonder la galaxie lentille
APM 08279+5255	3,91	12,1	Un des objets les plus intrinsèquement lumineux connus, fortement amplifié par lentille gravitationnelle (facteur ≈ 100)
SDSS J1044-0125	5,74	12,7	Quasar à raies d'absorption larges (BAL), parmi les premiers quasars connus à z>5
SDSS J0100+2802	6,30	12,8	Quasar le plus lumineux connu à ce jour, trou noir de 12 milliards de masses solaires
ULAS J1120+0641	7,085	12,9	Époque de la réionisation cosmique ; recordman de distance en 2011, aujourd'hui dépassé (voir chapitre suivant)

Physique de l'accrétion et jets relativistes

Autour du trou noir central, la matière forme un disque en rotation rapide. Les forces de friction internes convertissent l'énergie potentielle gravitationnelle en rayonnement électromagnétique.

Des champs magnétiques intenses canalisent une partie de l'énergie sous forme de jets relativistes, capables de propulser des particules à des vitesses proches de \(c\), la vitesse de la lumière. Ces jets, observés notamment par le réseau d'antennes radio VLBA (very Long Baseline Array), constituent une signature majeure des Noyaux actifs de galaxie (AGN).

Quasars et évolution galactique

Une phase transitoire de l'évolution galactique

Les observations suggèrent que la plupart des galaxies massives hébergent un trou noir supermassif en leur centre. Les quasars représenteraient une phase transitoire de cette évolution galactique: lorsqu'un afflux de gaz déclenche une accrétion rapide, le noyau devient éblouissant. Une fois le réservoir de matière épuisé, la galaxie se stabilise et le quasar s'éteint.

Coévolution trou noir – bulbe galactique

La corrélation observée entre la masse du trou noir (\(M_{\mathrm{BH}}\)) et celle du bulbe galactique (\(M_{\mathrm{bulge}}\)) suggère une coévolution gouvernée par des processus de rétroaction énergétique. Les relations empiriques établies à partir d'échantillons de galaxies proches donnent une pente d'environ : \( M_{\mathrm{BH}} \propto M_{\mathrm{bulge}}^{1.1} \) (Kormendy & Ho, 2013), avec toutefois une dispersion intrinsèque significative selon le type de galaxie hôte.

Le record de distance en 2026 : les quasars les plus anciens jamais observés

Une succession de records depuis les années 2010

Le record de distance d'un quasar a été battu à plusieurs reprises depuis les années 2010, à mesure que les grands relevés sondaient des redshifts toujours plus élevés : ULAS J1120+0641 (z = 7,085, découvert en 2011), puis ULAS J1342+0928 (z = 7,54, découvert en 2017), puis J0313-1806 (z = 7,642, découvert en 2021).

La découverte d'Euclid en juillet 2026

Le 6 juillet 2026, le télescope spatial Euclid de l'Agence spatiale européenne (ESA) a permis d'annoncer la découverte de 31 nouveaux quasars situés entre z = 6,6 et z = 7,8, dont les deux nouveaux détenteurs du record de distance : EUCL J172902.75+641018.1 (z ≈ 7,77) et EUCL J125308.55+705432.3 (z ≈ 7,69). Leur lumière a été émise seulement 670 millions d'années après le Big Bang, soit environ 5 % de l'âge actuel de l'Univers. Cette campagne, menée sur une fraction seulement des données prévues sur six ans de mission, a plus que doublé le nombre de quasars confirmés au-delà de z = 7, portant leur total connu de 9 à 23.

Précautions sur les mesures

N.B. :
Les mesures de redshift à ces distances extrêmes comportent une marge d'incertitude, et les records de distance ont déjà été révisés plusieurs fois par le passé à mesure que de nouvelles observations spectroscopiques affinent les valeurs initiales.

Le défi de la croissance rapide des trous noirs supermassifs

Un paradoxe cosmologique

L'existence même de ces quasars extrêmement distants pose un problème physique majeur : comment des trous noirs de plusieurs centaines de millions, voire plusieurs milliards de masses solaires (le trou noir de J0313-1806 pèse environ 1,6 milliard de masses solaires), ont-ils pu se former et grossir en moins de 700 millions d'années ?

Les deux scénarios principaux

Deux grandes familles d'hypothèses sont étudiées pour expliquer cette croissance rapide : des « graines » de trous noirs de masse intermédiaire (environ 100 masses solaires), issues de l'effondrement des toutes premières étoiles massives (dites de population III), qui auraient ensuite accrété de la matière à un rythme proche ou supérieur à la limite d'Eddington ; ou des graines plus massives d'emblée (\(10^4\) à \(10^5\) masses solaires), issues de l'effondrement direct de nuages de gaz denses sans passer par une phase stellaire intermédiaire. Aucun consensus n'existe encore sur le mécanisme dominant, et les futures données d'Euclid et du télescope spatial James Webb devraient permettre d'affiner ces modèles.

Tableau comparatif : Quasars et autres noyaux actifs

Comparaison des principaux types de noyaux actifs de galaxies
Type d'objet	Luminosité typique (W)	Distance observée	Caractéristique dominante
Quasar	10³⁹ à 10⁴¹	>1 milliard a.l.	Très lumineux dans tout le spectre, fort redshift, jets relativistes puissants, témoins des premières phases de formation galactique
Blazar	10³⁸ à 10⁴⁰	Jusqu'à 5 milliards a.l.	Jet relativiste orienté vers la Terre, variabilité rapide, émission intense en rayons gamma et rayons X
Galaxie de Seyfert	10³⁶ à 10³⁸	<200 millions a.l.	Lignes d'émission optique et UV marquées, noyau actif modéré, étoiles hôtes visibles
Radio-galaxie	10³⁷ à 10⁴⁰	Quelques centaines de millions à plusieurs milliards a.l.	Émission radio dominante, lobes étendus sur plusieurs centaines de kpc, jets relativistes, souvent noyau obscurci
LINER (Low-Ionization Nuclear Emission-line Region)	10³⁵ à 10³⁷	Souvent <100 millions a.l.	Faible ionisation, émission nucléaire modérée, souvent dans des galaxies elliptiques ou spirales matures
AGN obscurci / Type 2	10³⁶ à 10³⁹	Variable selon la galaxie	Rayonnement central bloqué par un tore de poussière, noyau caché, émission observée surtout en IR et rayons X

Références

Schmidt, M. (1963). 3C 273: A Star-Like Object with Large Red-Shift. Nature, 197, 1040. doi:10.1038/1971040a0 (nouvelle fenêtre)
Walsh, D., Carswell, R.F. & Weymann, R.J. (1979). 0957+561 A, B: twin quasistellar objects or gravitational lens?. Nature, 279, 381–384. doi:10.1038/279381a0 (nouvelle fenêtre)
Graham, M.J., Djorgovski, S.G., Stern, D. et al. (2015). A possible close supermassive black-hole binary in a quasar with optical periodicity. Nature, 518, 74–76. doi:10.1038/nature14143 (nouvelle fenêtre)
Wu, X.-B., Wang, F., Fan, X. et al. (2015). An ultraluminous quasar with a twelve-billion-solar-mass black hole at redshift 6.30. Nature, 518, 512–515. doi:10.1038/nature14241 (nouvelle fenêtre)
Mortlock, D.J., Warren, S.J., Venemans, B.P. et al. (2011). A luminous quasar at a redshift of z = 7.085. Nature, 474, 616–619. doi:10.1038/nature10159 (nouvelle fenêtre)
Bañados, E., Venemans, B.P., Mazzucchelli, C. et al. (2018). An 800-million-solar-mass black hole in a significantly neutral Universe at a redshift of 7.5. Nature, 553, 473–476. doi:10.1038/nature25180 (nouvelle fenêtre)
Wang, F., Yang, J., Fan, X. et al. (2021). A Luminous Quasar at Redshift 7.642. The Astrophysical Journal Letters, 907, L1. doi:10.3847/2041-8213/abd8c6 (nouvelle fenêtre)
Yang, D. et al. (Euclid Collaboration) (2026). Euclid: Discovery of 31 new quasars at 6.6 < z < 7.8. Astronomy & Astrophysics. doi:10.1051/0004-6361/202658883 (nouvelle fenêtre)
Kormendy, J. & Ho, L.C. (2013). Coevolution (Or Not) of Supermassive Black Holes and Host Galaxies. Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 51, 511–653. doi:10.1146/annurev-astro-082708-101811 (nouvelle fenêtre)
NASA ADS Astrophysics Data System (nouvelle fenêtre)
Observatoire Européen Austral (ESO) (nouvelle fenêtre).

FAQ : Tout savoir sur les quasars, ces phares du cosmos lointain

Quelle est la source d'énergie colossale d'un quasar ?

L'énergie des quasars provient de l'accrétion de matière sur un trou noir supermassif. La matière tombant vers le trou noir forme un disque d'accrétion chauffé à des températures extrêmes. La conversion de l'énergie potentielle gravitationnelle en rayonnement est très efficace, suivant la formule E = ηmc² (avec η, le rendement, compris entre 0,06 pour un trou noir non rotatif et environ 0,4 pour un trou noir en rotation rapide), ce qui explique une luminosité pouvant atteindre 10¹⁴ fois celle du Soleil pour les quasars les plus extrêmes comme SDSS J0100+2802.

Pourquoi les quasars sont-ils si importants pour étudier l'Univers primordial ?

Leur extrême luminosité les rend visibles à des distances cosmologiques considérables, au-delà de 13 milliards d'années-lumière. Leur lumière, avec un fort décalage vers le rouge (redshift z>7), nous provient d'une époque où l'Univers était très jeune (moins de 5 % de son âge actuel pour les plus lointains connus). Ils sont utilisés comme des sondes pour étudier des périodes clés comme la réionisation cosmique, en illuminant le milieu intergalactique et en révélant sa composition et son évolution.

Quel est le quasar le plus distant connu aujourd'hui ?

Depuis juillet 2026, les deux quasars les plus distants connus sont EUCL J172902.75+641018.1 (z ≈ 7,77) et EUCL J125308.55+705432.3 (z ≈ 7,69), découverts par le télescope spatial Euclid. Leur lumière a été émise environ 670 millions d'années après le Big Bang. Ils succèdent à J0313-1806 (z = 7,642, record depuis 2021), lui-même précédé par ULAS J1342+0928 (2017) et ULAS J1120+0641 (2011, premier quasar connu à z> 7).

Quelle est la relation entre un quasar, un trou noir et sa galaxie hôte ?

La relation est une hiérarchie fonctionnelle : le trou noir supermassif est le moteur central ; le quasar est le phénomène observable (le rayonnement intense) produit par l'activité de ce moteur ; et la galaxie hôte est le cadre gravitationnel qui contient le tout. Les quasars représentent une phase transitoire dans la vie d'une galaxie, s'activant lors d'un afflux de gaz et s'éteignant lorsque le réservoir est épuisé.

Comment un trou noir supermassif peut-il grossir aussi vite dans le jeune Univers ?

C'est l'une des grandes questions ouvertes de l'astrophysique actuelle. Les quasars les plus distants hébergent déjà des trous noirs de plusieurs centaines de millions à quelques milliards de masses solaires alors que l'Univers avait moins de 700 millions d'années. Deux scénarios principaux sont étudiés : des graines de masse modeste (issues des premières étoiles) accrétant à un rythme extrême, ou des graines massives d'emblée, issues de l'effondrement direct de nuages de gaz. Aucun des deux scénarios ne fait encore consensus.

Comment les quasars se distinguent-ils des autres noyaux actifs de galaxie (AGN) ?

Bien que tous soient des AGN, les quasars sont les plus lumineux (10³⁹ à 10⁴¹ W) et les plus lointains, avec de puissants jets relativistes. Les Blazars sont des quasars dont le jet pointe vers la Terre. Les Galaxies de Seyfert sont moins lumineuses et plus proches, avec un noyau actif modéré. Les Radio-galaxies émettent principalement dans le domaine radio, et les LINER ont une émission nucléaire faible.