Au Japon, des chercheurs ont surpris un quasar lointain en plein affaiblissement express, sur une durée à l’échelle humaine, bouleversant les certitudes.
Ce scénario cosmique inattendu, raconté par une étude parue dans la revue japonaise Publications of the Astronomical Society of Japan, repose sur le suivi d’un quasar extrêmement lointain, J0218−0036. En une vingtaine d’années d’observations, ce noyau galactique actif a perdu l’essentiel de sa luminosité, obligeant les astronomes japonais et leurs collègues à revoir la manière dont les trous noirs supermassifs s’alimentent et modulent la vie de leurs galaxies hôtes.
Un quasar lointain qui décroche en temps réel
Pendant des décennies, les quasars ont été décrits comme des phares stables du cosmos, alimentés par un trou noir supermassif engloutissant du gaz à un rythme soutenu. Leur activité était supposée durer des dizaines de milliers, voire des millions d’années, très loin de toute échelle humaine.
Le cas de J0218−0036, présenté par Tomoki Morokuma, chercheur au Planetary Exploration Research Center du Chiba Institute of Technology au Japon, bouscule ce récit. Sa lumière nous parvient depuis une époque reculée de l’Univers, il y a environ 10 milliards d’années. Pourtant, sur cette source lointaine, les astronomes voient un changement violent se produire… sur quelques décennies seulement dans nos instruments.
En une vingtaine d’années de mesures, la luminosité visible du quasar J0218−0036 s’est effondrée, avec une baisse de plus de 3 magnitudes dans certaines bandes.
Dans les premières images issues du grand relevé Sloan Digital Sky Survey (SDSS), l’objet apparaît comme un point compact et bleu, typique d’un quasar brillant. Sur les relevés plus récents, il est nettement plus faible, au point de laisser apparaître sa galaxie hôte. Les astronomes se retrouvent face à une véritable transition d’état, rarement captée avec autant de netteté.
Comment les chercheurs ont repéré ce « phare » en train de s’éteindre
Pour dénicher un quasar en train de décrocher, l’équipe de Tomoki Morokuma a croisé deux grands relevés du ciel : le SDSS, mené depuis les États-Unis, et le relevé Hyper Suprime-Cam (HSC), réalisé avec le puissant télescope Subaru à Hawaï. Objectif : comparer, à plusieurs années d’intervalle, la luminosité de dizaines de milliers de quasars déjà identifiés.
31 549 quasars ont été passés au crible dans la zone commune aux deux relevés ;
57 présentaient une baisse marquée de luminosité ;
un seul, SDSS J021801.90−003657.7 (J0218−0036), montrait un effondrement spectaculaire.
Pour cet objet, la chute de flux est telle que l’interprétation classique – de simples fluctuations ou un épisode de poussière – ne suffit plus. Les données indiquent que le noyau galactique actif lui-même a brutalement changé de régime.
Des signaux concordants de l’optique à l’infrarouge
Une baisse dans le domaine visible ne prouverait pas à elle seule qu’un trou noir reçoit moins de matière. Les astronomes ont donc mobilisé tout l’arsenal d’observations disponible : optique, proche infrarouge, infrarouge moyen et spectres détaillés obtenus avec de grands télescopes.
Les courbes de lumière reconstruites montrent une tendance claire : sur une vingtaine d’années vues depuis la Terre, la luminosité décroît progressivement, sans rebond majeur. Cette tendance se retrouve aussi dans l’infrarouge, grâce aux données des télescopes spatiaux Spitzer et WISE.
Le déclin de luminosité touche à la fois le visible et l’infrarouge, signe que l’ensemble du système – disque d’accrétion et région poussiéreuse chaude – reçoit moins d’énergie.
Les spectres apportent un autre indice crucial. Un spectre pris dans le cadre de SDSS/eBOSS a été comparé à un spectre plus récent, acquis en 2022 avec l’instrument LRIS du télescope Keck. Les grandes raies d’émission, signatures du gaz fortement ionisé autour du trou noir, sont toujours présentes, mais nettement affaiblies.
Le quasar ne s’éteint donc pas comme un interrupteur coupé net. Il glisse vers un état beaucoup plus discret, tout en affichant les traces spectroscopiques de son activité passée. Les astronomes observent une « machine » qui ne tourne plus qu’au ralenti.
Pourquoi la poussière ne suffit pas à expliquer l’extinction
Face à un quasar qui pâlit, deux scénarios dominent en astrophysique :
une vraie chute du taux d’accrétion, c’est-à-dire du flux de gaz tombant vers le trou noir ;
un écran changeant de poussière qui masque partiellement la lumière sans réduire l’activité réelle.
L’équipe japonaise a bâti, pour six époques différentes, l’énergie rayonnée par J0218−0036 du visible au moyen infrarouge. Elle a ensuite séparé la contribution supposée stable de la galaxie hôte de celle du noyau actif, puis testé deux modèles : baisse intrinsèque de luminosité ou extinction variable par la poussière.
Les outils statistiques utilisés convergent. Le scénario de la poussière variable ne reproduit pas correctement l’ensemble des données, alors que la baisse intrinsèque s’ajuste bien mieux aux observations.
Les auteurs concluent que « la forte baisse observée du flux s’explique par une diminution intrinsèque du taux d’accrétion » sur le trou noir central.
Un indicateur clé résume ce basculement : le rapport d’Eddington, qui mesure le niveau d’activité du noyau par rapport à sa limite théorique maximale. Selon l’étude, il serait passé d’environ 0,4 à 0,008. L’objet aurait donc perdu la quasi-totalité de sa puissance d’alimentation en un laps de temps déroutant pour les modèles actuels.
Un trou noir géant qui lève le pied en un temps record
La rapidité du phénomène alerte les théoriciens. Dans le référentiel de la Terre, la baisse s’étend sur environ cinq ans et demi. Une fois corrigé des effets liés à l’expansion de l’Univers, au niveau du quasar lui-même, le changement se jouerait en moins de deux ans.
À l’échelle d’un trou noir supermassif et de son disque d’accrétion, cette durée est extrêmement courte. Certains mécanismes prévus par les modèles, qui reposent sur des temps de réponse plus lents du disque de gaz, deviennent difficiles à invoquer pour expliquer un tel « coup de frein ».
Parallèlement, l’affaiblissement du noyau a permis aux chercheurs de mieux caractériser la galaxie qui l’abrite. En modélisant la lumière résiduelle, l’équipe estime sa masse stellaire à environ 1,4 × 10¹¹ masses solaires. Il ne s’agit pas d’une galaxie en pleine flambée de formation d’étoiles. Au contraire, son activité de formation stellaire paraît faible pour une galaxie de cette masse à cette époque de l’Univers.
Le trou noir ralentit au cœur d’une galaxie déjà relativement calme, ce qui suggère que l’extinction de l’activité d’un noyau n’est pas forcément liée à un épisode de turbulence ou de fusion spectaculaire.
Le cas J0218−0036 illustre donc un scénario discret : un quasar puissant qui se met progressivement en sourdine dans une galaxie qui n’est plus un « berceau » très actif d’étoiles. Cette situation fournit un jalon précieux pour comprendre comment les galaxies et leurs trous noirs se « désynchronisent » au fil du temps.
Ce que cela change pour la compréhension de l’Univers lointain
Pour les astrophysiciens, ce type de déclin rapide n’est pas seulement une curiosité. Il touche des questions fondamentales : comment les trous noirs supermassifs grossissent-ils ? Comment leur activité influence-t-elle la formation d’étoiles dans la galaxie ? Et sur quels rythmes ces interactions se déroulent-elles ?
Les quasars sont souvent utilisés comme traceurs de l’évolution de l’Univers, notamment pour cartographier la matière à grande échelle et étudier le gaz intergalactique. Si certains d’entre eux peuvent changer de régime aussi vite, cela complique l’interprétation statistique des relevés : un objet brillant aujourd’hui peut avoir été beaucoup plus faible quelques années auparavant, et inversement.
Ces « quasars changeants », dont J0218−0036 est un exemple extrême, deviendront des cibles majeures pour les prochains grands relevés du ciel. Des projets comme le futur relevé mené avec le Vera C. Rubin Observatory promettent de suivre la variabilité de millions de noyaux galactiques sur de longues périodes, ce qui permettra de mieux estimer la fréquence et les causes de ces extinctions rapides.
Que signifie ce résultat pour les observations menées en France ?
Pour un lecteur français, ces travaux résonnent directement avec les programmes menés en Europe. La France participe activement à de grands relevés de quasars et de galaxies via des instruments au sol et des missions spatiales, en lien avec l’Observatoire européen austral (ESO) ou l’Observatoire de Paris.
Les mécanismes mis en jeu – accrétion sur un trou noir, régulation de la formation stellaire, rôle de la poussière – sont précisément au cœur de nombreux projets de recherche soutenus par le CNRS et les universités françaises. Des instruments comme le Very Large Telescope au Chili, largement utilisé par des équipes françaises, obtiennent des spectres de noyaux actifs comparables à ceux exploités pour J0218−0036.
Les méthodes d’analyse utilisées par l’équipe japonaise – suivi multi-longueurs d’onde, séparation entre contribution du noyau et de la galaxie hôte, modélisation statistique des scénarios possibles – sont désormais standards dans la communauté. Elles pourront être réappliquées par des chercheurs français à des objets observés depuis des sites gérés par la France ou par ses partenaires européens.
Quelques repères pour mieux comprendre : quasar, trou noir et disque d’accrétion
Pour saisir l’enjeu du cas J0218−0036, il est utile de préciser quelques notions souvent citées sans détail.
Terme
Définition simplifiée
Trou noir supermassif
Objet extrêmement compact, des millions à des milliards de fois plus massif que le Soleil, situé au centre de nombreuses galaxies.
Disque d’accrétion
Disque de gaz chauffé à très haute température en spirale vers le trou noir, qui émet une lumière intense de l’ultraviolet à l’infrarouge.
Quasar
Noyau galactique particulièrement lumineux, dominé par l’émission du disque d’accrétion d’un trou noir supermassif.
Rapport d’Eddington
Mesure du degré d’« emballement » du trou noir, comparant la luminosité émise à une limite au-delà de laquelle le rayonnement repousse le gaz entrant.
Le cas de J0218−0036 montre ce qu’il se passe lorsque le disque d’accrétion reçoit soudain beaucoup moins de matière. La luminosité chute, la région poussiéreuse autour du noyau se refroidit, et la galaxie hôte, jusque-là noyée dans la lumière du quasar, devient visible.
Pour la recherche, ces phases de transition sont précieuses : elles permettent de voir successivement le quasar brillant, puis la galaxie plus « nue », comme si l’Univers offrait deux portraits du même système à quelques années d’intervalle. À terme, l’étude statistique de ces événements d’extinction rapide devrait aider à comprendre comment les grandes structures de l’Univers sont passées d’un cosmos très actif en quasars à l’Univers actuel, où la plupart des trous noirs géants semblent avoir levé le pied.
Qu'est-ce qu'un quasar et pourquoi s'éteint-il normalement ?
Un quasar est un noyau galactique actif alimenté par un trou noir supermassif qui engloutit du gaz à haut débit. Jusqu'à présent, les quasars étaient considérés comme stables, avec une activité censée durer des dizaines de milliers à des millions d'années, très au-delà de l'échelle humaine.
Pourquoi l'extinction rapide de J0218-0036 étonne-t-elle les astronomes ?
Le quasar s'est éteint en moins de deux ans selon son propre référentiel temporel, une durée extrêmement courte à l'échelle d'un trou noir supermassif et de son disque d'accrétion. Les modèles théoriques actuels prédisent des changements beaucoup plus lents, rendant ce phénomène difficile à expliquer.
Comment les chercheurs ont-ils identifié ce quasar en déclin ?
L'équipe a comparé deux grands relevés du ciel, le SDSS et le relevé Hyper Suprime-Cam du télescope Subaru, en examinant la luminosité de 31 549 quasars déjà identifiés. Parmi eux, seul J0218-0036 montrait un effondrement spectaculaire de son flux.
La poussière pourrait-elle masquer la vraie luminosité du quasar ?
Non, l'analyse statistique démontre que le scénario d'une poussière variable ne reproduit pas les données observées. La baisse intrinsèque du taux d'accrétion, c'est-à-dire la quantité de gaz tombant dans le trou noir, explique bien mieux les observations dans le domaine visible et infrarouge.
Quel est l'impact de ce phénomène sur notre compréhension des galaxies ?
Cet événement montre que l'extinction d'un noyau actif n'est pas nécessairement liée à un épisode spectaculaire de fusion ou de turbulence galactique. Cela suggère que les trous noirs supermassifs peuvent réguler leur alimentation de manière plus subtile et rapide que les modèles actuels ne l'envisageaient.
