Des astronomes ont braqué e-MERLIN sur un trou noir né 800 millions d’années après le Big Bang : ce que ses lobes radio n’ont pas encore atteint

Un trou noir supermassif vieux de 780 millions d’années seulement, capté par un réseau de sept antennes disséminées à travers le Royaume-Uni. C’est le cœur du dernier exploit d’e-MERLIN : sonder les entrailles radio de l’un des quasars les plus anciens jamais détectés, et découvrir que ses jets, censés un jour s’étendre sur des centaines de milliers d’années-lumière, n’ont pour l’instant parcouru qu’une poignée de parsecs.

Le quasar en question s’appelle P172+18. Une équipe co-dirigée par Eduardo Bañados du Max Planck Institute for Astronomy et Chiara Mazzucchelli de l’ESO a repéré cet objet grâce à un ensemble de sept télescopes, alors que l’univers n’avait que 780 millions d’années. Un chiffre qui colle presque exactement à la promesse du titre : 800 millions d’années après le Big Bang, soit à peine 6 % de l’âge actuel de l’univers.

C’est la première fois que les astronomes parvenaient à identifier les signatures caractéristiques de jets radio dans un quasar aussi précoce dans l’histoire de l’univers, sachant que seuls environ 10 % des quasars, dits « radio-loud », en possèdent. Le trou noir qui alimente ce système n’a rien d’un poids plume. Il pèse environ 300 millions de fois la masse du Soleil et dévore la matière environnante à une vitesse telle qu’il compte parmi les plus rapides jamais observés, émettant l’équivalent de 580 fois l’énergie de toute la Voie lactée.

Un jet minuscule pour un monstre déjà colossal

Les observations à très haute résolution angulaire, menées avec le réseau VLBA puis complétées par d’autres campagnes utilisant les mêmes techniques d’interférométrie à très longue base qu’e-MERLIN, ont livré un résultat presque contre-intuitif. Elles révèlent une source radio dominante avec une taille déconvoluée de 9,9 sur 3,5 millisecondes d’arc, soit à peine 52,5 sur 18,6 parsecs.

Cinquante-deux parsecs. C’est minuscule.

Pour comparer, la distance Terre-Soleil tiendrait des millions de fois dans cet espace, mais à l’échelle cosmique, un jet radio mature parcourt en général des dizaines, voire des centaines de milliers de fois cette distance. Ce type de source compacte, au spectre radio abrupt, appartient à la classe des sources à spectre piqué (gigahertz peaked spectrum), dont les tailles projetées ne dépassent pas 500 parsecs, une catégorie cousine des sources compactes à spectre raide (CSS) qui, elles, s’étendent jusqu’à 20 kiloparsecs. En supposant une vitesse d’expansion typique de ces sources, autour de 0,1 fois la vitesse de la lumière, l’âge cinématique du jet de P172+18 tomberait autour de 1700 ans seulement.

Les observations complémentaires avec le Very Large Array situent la limite haute de la taille de la source à moins de 10,1 sur 4,6 kiloparsecs, ce qui reste très modeste comparé aux structures qui peuvent apparaître autour de quasars plus âgés. Le jet existe. Il est juste encore tout jeune.

Ce que les antennes britanniques savent voir que d’autres ratent

Ce genre de mesure n’est possible qu’avec des instruments capables de démêler des structures grosses comme quelques parsecs à des milliards d’années-lumière. e-MERLIN relie sept télescopes répartis à travers le Royaume-Uni, avec une base maximale de 217 kilomètres, offrant une imagerie sub-arcseconde avec une sensibilité de l’ordre du microjansky. Autant dire un microscope radio.

Sur d’autres quasars situés à des décalages spectraux comparables, l’instrument britannique a déjà démontré sa capacité à trancher entre un simple point compact et une véritable structure à double lobe. Sur un échantillon de noyaux actifs radio-loud à z supérieur à 4, e-MERLIN a détecté des structures doubles déjà repérées par le réseau européen VLBI, avec des points chauds correspondant aux lobes. C’est précisément ce type de démêlage fin qui permet aujourd’hui de dire qu’un jet vieux de 800 millions d’années après le Big Bang n’a, pour l’instant, quasiment rien traversé.

Pourquoi les lobes restent prisonniers de leur galaxie

La théorie qui explique cette lenteur apparente porte un nom un peu ingrat : les jets « frustrés ». Les radiojets de faible puissance resteraient compacts et peu collimatés faute d’énergie suffisante pour se dissiper efficacement, piégés à l’intérieur de la galaxie hôte, leur propagation étant interrompue par le milieu interstellaire dense qui les entoure. le jet pousse, mais la galaxie pousse plus fort en retour.

Pour mesurer le chemin qu’il reste à parcourir, un contrepoint aide à visualiser l’échelle du problème. Pendant cinquante ans, la plus grande paire de jets connue de trous noirs plafonnait entre 4,6 et 5 mégaparsecs, une limite qui semblait infranchissable. Un radiostructure baptisée Porphyrion a fini par s’étendre sur environ 7 mégaparsecs, générée par un trou noir actif entre 4,4 et 6,3 milliards d’années après le Big Bang, soit des milliards d’années de croissance de plus que P172+18. Le contraste est vertigineux : quelques parsecs contre plusieurs millions.

Ce différentiel n’a rien d’anecdotique pour la cosmologie. Il permet de dater, presque à l’année cosmique près, le moment où un jet commence tout juste à percer la matière environnante, avant même d’avoir eu le temps de façonner sa galaxie hôte comme le font les jets plus âgés observés ailleurs dans l’univers.

La chasse continue d’ailleurs à un rythme soutenu. Le consortium Euclid a récemment annoncé la découverte de 31 nouveaux quasars situés entre des décalages spectraux de 6,6 et 7,8, dont les deux objets les plus lointains jamais observés, remontant à 600 à 800 millions d’années après le Big Bang. Chacun de ces nouveaux objets constitue un candidat potentiel pour une future campagne e-MERLIN, avec l’espoir de surprendre, cette fois encore, un jet radio en flagrant délit de naissance.

Source : sciencepost.fr