ULAS J1120+0641 est un quasar exceptionnel découvert en 2011 dans les données du relevé infrarouge UKIDSS. Avec un redshift de z = 7,085, sa lumière a été émise seulement 770 millions d’années après le Big Bang — faisant de lui, à l’époque de sa découverte, le quasar le plus lointain connu. Son trou noir supermassif central, d’environ 2 milliards de masses solaires, pose un défi fondamental aux théories de formation des trous noirs : comment un objet aussi massif a-t-il pu se former en si peu de temps cosmique ?
Description
ULAS J1120+0641 est une source extrêmement lumineuse, émettant une puissance équivalente à plusieurs centaines de fois celle de galaxies ordinaires entières. Cette luminosité extraordinaire est alimentée par l’accrétion active de matière sur le trou noir central à un taux prodigieux — proche ou égal à la limite d’Eddington. Le quasar brille donc à sa puissance maximale théorique, ce qui implique qu’il accumule de la masse aussi vite que physiquement possible.
Le problème cosmologique posé par ULAS J1120+0641 est aigu : pour atteindre une masse de 2 milliards de masses solaires en 770 millions d’années, en supposant une accrétion au taux d’Eddington depuis le début et une graine initiale de 100 masses solaires, les calculs donnent une croissance à peine suffisante. Si la graine initiale est plus petite, ou si le taux d’accrétion a été parfois inférieur à Eddington, la masse finale est inexplicable avec notre compréhension actuelle.
Les observations spectroscopiques de ce quasar révèlent la présence de métaux lourds dans son spectre — carbone, silicium, fer — en quantités comparables à celles observées dans des quasars bien plus proches. Cela implique que plusieurs générations d’étoiles se sont déjà formées, vécues et mortes en supernovas dans la galaxie hôte avant que nous ne l’observions, il y a moins d’un milliard d’années après le Big Bang.
Observation
ULAS J1120+0641 est observable uniquement en infrarouge depuis la Terre :
- Invisible en lumière visible (son rayonnement visible est redshifté dans l’infrarouge)
- Détectable en infrarouge proche avec les grands télescopes au sol (VLT, Keck) et depuis l’espace (JWST)
- Trop faible et trop lointain pour être étudié en rayons X avec précision par les instruments actuels
Particularités
ULAS J1120+0641 se trouve derrière ce que les cosmologistes appellent la fin de la réionisation — la période où le rayonnement des premières étoiles et quasars a réionisé l’hydrogène neutre de l’univers. Son spectre présente une coupure quasi-totale à certaines longueurs d’onde, la signature de l’absorption par des nuages d’hydrogène neutre entre lui et nous. Cela en fait un outil précieux pour sonder l’état du milieu intergalactique au cours de cette période charnière.
En 2021, le télescope James Webb a observé ULAS J1120+0641 en infrarouge moyen, permettant de sonder son environnement à des longueurs d’onde inaccessibles depuis le sol. Ces observations ont apporté de nouvelles contraintes sur la structure de son disque d’accrétion et les propriétés de son vent quasar — flux de matière expulsée du disque à haute vitesse.
Ce quasar illustre l’un des problèmes ouverts les plus importants de la cosmologie moderne : la formation des trous noirs supermassifs dans le jeune univers. Les hypothèses incluent des graines de trous noirs primordiales très massives, des effondrements directs de nuages de gaz géants, ou une croissance super-Eddington soutenue pendant des périodes prolongées.