Découverte de 31 quasars extrêmement lointains grâce à Euclid

Le télescope spatial Euclid vient de permettre la découverte de 31 quasars parmi les plus lointains jamais observés. Deux de ces cœurs de galaxies alimentés par des trous noirs supermassifs, sont les quasars les plus lointains jamais observés dans l'histoire cosmique. Ils brillent lorsque l'Univers n’a que 670 millions d'années, soit seulement 5 % de son âge actuel. La découverte est publiée dans Astronomy&Astrophysics.

Les quasars représentent une phase brève de la vie d'une galaxie, durant laquelle d'importantes quantités de matière sont englouties en spirale par le trou noir supermassif central, libérant ainsi une énergie colossale. Durant cette phase, le noyau de la galaxie brille plus intensément que tout autre objet de l'Univers, surpassant souvent le reste de sa galaxie hôte par des centaines voire de milliers de fois.

Le télescope spatial Euclid a été mis en orbite au point de Lagrange L2 en juillet 2023 par l’ESA. Il explore la composition, l’histoire et l’évolution de l'Univers, en cartographiant sa structure à grande échelle, dans le but de révéler les secrets de l'Univers sombre. Il est utilisé pour observer des milliards de galaxies, ce qui permet de révéler ainsi de nombreux quasars.

Da-Ming Yang (université de Leiden) et ses nombreux collaborateurs, ont découvert grâce à Euclid un nombre sans précédent de 31 nouveaux quasars dans l'Univers primordial. Cette découverte change la donne, puisqu'elle révèle non seulement ces rares quasars brillants, mais aussi la majeure partie de la population ancienne de quasars. Elle ajoute 12 nouveaux quasars situés à un décalage vers le rouge supérieur à 7, correspondant aux 770 premiers millions d'années de l'Univers.

Les deux quasars les plus anciens de ce lot, EUCL J1729+6410 et EUCL J1253+7054, présentent des décalages vers le rouge respectifs de 7,77 et 7,69, établissant ainsi un nouveau record pour les quasars les plus anciens jamais découverts. Situés à un peu plus de 13 milliards d'années-lumière, ils sont apparus durant les 670 premiers millions d'années de l'Univers. Ces quasars ont été sélectionnés parmi environ 3 000 deg² de ciel couverts durant les 1,5 premières années du relevé Euclid Wide Survey, représentant les premiers résultats de la recherche de quasars à haut décalage vers le rouge menée par Euclid. La sélection de candidats a fait appel à plusieurs techniques d'apprentissage automatique et probabilistes appliquées aux images d’Euclid, complétées par des données auxiliaires lorsque disponibles. Des observations spectroscopiques de suivi ont notamment été réalisées avec les télescopes Keck, Magellan et le Large Binocular Telescope (LBT).

Parmi les nouvelles découvertes, on compte 12 quasars à un redshift z  ≥ 7, soit plus du double du nombre de quasars précédemment connus à de tels redshifts. Le quasar avec le décalage vers le rouge le plus élevé , EUCL J1729+6410 à z  ≈ 7,77, établit un nouveau record de décalage vers le rouge pour un quasar.  Il faut préciser que pour découvrir les dix premiers quasars situés à environ à un décalage vers le rouge de 7 ou plus, ça a pris plus d'une décennie aux astronomes. Mais grâce à Euclid, on vient d'en découvrir davantage en une seule année…

Une grande partie des quasars découverts ici se situent dans la partie inférieure de la distribution de luminosité des quasars. De plus, deux de ces quasars présentent des contreparties radio significatives (> 5 σ ) dans le catalogue LoTSS, ce qui souligne la synergie prometteuse entre Euclid et le réseau LOFAR pour l'identification et la caractérisation de la population de quasars à haut décalage vers le rouge ( z ∼  7 et au-delà). Ces découvertes marquent donc une avancée substantielle dans l'étude de l'époque de la réionisation cosmique, démontrant la capacité sans précédent d'Euclid à repousser les limites de l'étude des quasars en fonction du décalage vers le rouge. Des observations complémentaires sont déjà en cours, bien que nombre de ces sources soient faibles et difficiles à caractériser spectroscopiquement. Des instruments tels que le JWST, NOEMA et ALMA seront essentiels pour leur caractérisation future.

Le deuxième quasar le plus ancien découvert par Yang et ses collègues (EUCL J1253+7054) a d'ailleurs déjà fait l'objet d'une étude spécifique plus approfondie par Silvia Belladitta et ses collaborateurs. Ces observations ont révélé que le quasar est enfoui dans une galaxie poussiéreuse et gazeuse où se forme activement de nouvelles étoiles, laissant entrevoir à quoi pourrait ressembler la galaxie hôte d'un trou noir supermassif primitif.

Clairement, ces découvertes démontrent le rôle transformateur d’Euclid dans la découverte des quasars à haut redshift. Elles préparent le terrain pour de futures études de suivi sur les galaxies primitives abritant des quasars, la croissance des trous noirs supermassifs ainsi que le milieu intergalactique à l’époque de la réionisation.

Il est notable que les résultats présentés ici sont globalement cohérents avec les prévisions qu’avait faites la collaboration Euclid en 2019. Les astrophysiciens avaient en effet calculé qu’il devait exister environ 20 quasars à z  ≳ 7 dans 3000 deg² dans la bande spectrale J_E du télescope, et Yang et al. en ont identifié 14 avec cette caractéristique  parmi leurs 31 nouvelles découvertes. Evidemment, la recherche et le suivi spectroscopique ne sont pas encore terminés (en particulier dans l'hémisphère sud), et cette comparaison est donc provisoire ; mais elle pourrait suggérer que certaines fonctions de luminosité des quasars existantes sous-estiment la densité numérique à un redshift z  ≳ 7 pour les quasars de faible luminosité.

Dans leur conclusion, les chercheurs estiment que, à mesure que la zone d'observation d'Euclid va s'étendre et que les confirmations progressent, les premiers quasars à z  > 8 seront probablement identifiés prochainement…

 

Source

Euclid : Découverte de 31 nouveaux quasars à 6,6 < z < 7,8

D. Yang et al.,

Astronomy & Astrophysics (6 juillet 2026)

https://doi.org/10.1051/0004-6361/202658883

Illustration

15 quasars lointains sur les 31 observés avec Euclid [au centre de chaque image]  (ESA / Euclid / Euclid Consortium / NASA, image processing by the Euclid Science Ground Segment and Antoine Basset (CNES))

Excès gamma du centre galactique : la matière noire remise en selle

En 2011, Dan Hooper et Lisa Goodenough (Fermilab) publiaient un article retentissant annonçant l'existence d'un excès mystérieux de rayons gamma en provenance du centre galactique, qui pouvait être interprété comme le signal de l'annihilation de particules exotiques de matière noire. Quelques années plus tard, une autre explication a émergé pour expliquer ce flux gamma : la présence de centaines de pulsars millisecondes émetteurs de photons gamma. Depuis lors, les deux scénarios ont âprement été débattus, avec une préférence qui s'est de plus en plus affirmée au fil des ans pour l'hypothèse des pulsars millisecondes, sans que l'hypothèse matière noire ne puisse être définitivement écartée. Aujourd'hui, une équipe de chercheurs vient  d'analyser les données sous un nouvel angle, en prenant en compte l'énergie des photons gamma individuels. Ils en concluent que l'hypothèse matière noire est plus convaincante que celle des pulsars millisecondes... Ils publient leur étude dans la prestigieuse Physical Review Letters. 

Une voie pour résoudre la nature de l'excès gamma du centre galactique (GCE) consiste à exploiter la caractéristique d’une source ponctuelle : la production de plus d’un seul photon depuis exactement une même position. La carte pixellisée du nombre de photons prédite par l’annihilation de la matière noire suit une distribution de Poisson. Bien qu’elle soit contrôlée par la distribution sous-jacente et incertaine de matière noire dans la Galaxie interne, un détecteur observe une distribution spatiale relativement lisse, ponctuée de fluctuations poissoniennes. Les sources ponctuelles, par leur capacité à produire plusieurs photons depuis la même position, injectent une variation supplémentaire d’un pixel à l’autre dans la carte. Même pour une population de sources trop faibles pour être détectées individuellement, elles peuvent collectivement induire une modification observable de la carte de photons par rapport à la prédiction poissonienne.

Cette intuition peut être encodée dans une vraisemblance analytique afin de distinguer les scénarios — comme cela a été fait pour la fonction de distribution de probabilité à un point, l’ajustement de gabarits non poissonien (NPTF) et le générateur de Poisson composé — ce qui a sous-tendu l’affirmation fondée sur le NPTF par Lee et al. en 2016 selon laquelle le GCE avait une origine de sources ponctuelles, des pulsars. Mais la robustesse de ces méthodes a été débattue à partir de 2019. Ce qui est indiscutable, c’est que la faisabilité computationnelle a imposé que la vraisemblance soit évaluée avec deux approximations importantes : premièrement : les corrélations de pixel à pixel sont négligées, et deuxièmement : les énergies des photons sont écartées.

Ces 5 dernières années, des approches d’apprentissage automatique ont été exploitées avec succès pour dépasser la première approximation. En particulier, une analyse sans vraisemblance fondée sur des réseaux de neurones convolutifs a conclu que, bien que le GCE puisse avoir une origine par des sources ponctuelles, ces sources devraient être considérablement plus faibles que ce qui avait été conclu dans les études de vraisemblance antérieures.

Florian List (université de Vienne) et ses collaborateurs se sont à nouveau appuyés sur la méthodologie des réseaux de neurones convolutifs, cette fois, afin de démontrer qu’elle peut également supprimer la seconde hypothèse, et fournir la première analyse de la nature en sources ponctuelles du GCE dépendante de l’énergie. 

Sur le plan conceptuel, il s’agit d’une avancée importante dans les études du GCE. On sait que le GCE possède un spectre distinct de celui des arrière-plans dominants. L’information en énergie fournit donc un levier puissant grâce auquel les méthodes pourraient démêler sa nature en identifiant des erreurs de modélisation de l’arrière-plan. Grâce à leur méthode, List et ses collaborateurs retrouvent un spectre de l’excès qui est similaire à celui des études antérieures, mais une population de sources bien moins lumineuse, et dont la prédiction médiane est compatible avec une émission purement poissonienne, comme ce qui serait attendu pour une origine liée à la matière noire. 

Cet apport est considérable puisque l’information énergétique conduit les sources ponctuelles supposées à être significativement moins lumineuses, ce qui indique soit que l'excès du centre galactique est véritablement diffus par nature, soit qu’il est composé d’un nombre exceptionnellement élevé de sources ponctuelles. Quantitativement, pour le meilleur modèle d’arrière-plan de List et ses collaborateurs, si l'excès est dû à des sources ponctuelles, la prédiction médiane du nombre de pulsars est de l’ordre de 100 000, et en tous cas plus de 35 000 avec un niveau de confiance de 90 %. Dans les deux cas, ce serait une population de plusieurs ordres de grandeur supérieure aux quelques centaines de pulsars qui ont été privilégiés par les analyses antérieures de sources ponctuelles du centre galactique.

Les chercheurs précisent que les variations permises par les systématiques de l’arrière-plan peuvent réduire le nombre requis de sources d’environ un facteur 10. On est encore très supérieur à quelques centaines... Pour eux, cela demeure la principale incertitude systématique qui mérite une étude plus approfondie. Au-delà de modèles diffus mis à jour, leur réseau de neurones pourrait être entraîné sur des combinaisons linéaires de différents modèles d’arrière-plan, inclure des méthodes adaptatives d’ajustement de gabarits, ou même des modèles pondérés par des polynômes ou des harmoniques. Cela donne des pistes intéressantes pour les travaux futurs sur cette question ô combien importante et passionnante.

On voit que même si on fait face à un problème notoirement difficile, des progrès demeurent possibles, et l’apprentissage automatique s’avère être un outil puissant pour dépasser des limitations anciennes. List et ses collègues ont produit la première inférence simultanée du spectre du GCE et de la distribution du nombre de sources, révélant que l’inclusion de l’énergie déplace la distribution des sources jusqu’à la rendre indiscernable de l’émission poissonienne qui est prédite par l'hypothèse de la matière noire. Ils affaiblissant ainsi l’un des principaux éléments de preuve en faveur de l’hypothèse des pulsars millisecondes...

Maintenant, plusieurs extensions directes de cette étude devraient être étudiées. La méthode pourrait par exemple être étendue à une plage d’énergie plus large, en particulier vers les basses énergies où le spectre unique du GCE pourrait apparaître plus clairement. Plus largement, il est probable que l’approche fondée sur les réseaux de neurones convolutifs, bien qu'elle soit performante, ne constitue pas encore l’utilisation optimale de l’apprentissage automatique pour ce problème. Explorer comment ces méthodes peuvent être poussées encore plus loin constitue une étape importante pour l’avenir, et surtout pour déterminer si la découverte de la matière noire a déjà été faite en 2011, grâce à la détection d'un excès de rayons gamma dans le centre galactique...

Source

Energy Distribution of the Galactic Center Excess’s Sources

Florian List et al.

Phys Rev Lett 136 (12 June 2026)

https://doi.org/10.1103/dkcq-6y4f 

Illustration

Visualisation de l'excès gamma du centre galactique (NASA)