Certaines galaxies abritent dans leur cœur des trous noirs de plusieurs milliards de masses solaires ou plus. Lorsqu’ils engloutissent le gaz et les étoiles environnantes, ces trous noirs supermassifs rayonnent de façon si intense que leurs galaxies hôtes sont visibles depuis les confins de l’Univers, et sont appelées alors quasars. Daniel Mortlock, de l'Imperial College de Londres, et ses collègues ont découvert le quasar le plus lointain : sa lumière a été émise quand l’Univers n’était âgé que de 770 millions d’années, ce qui correspond à un « décalage vers le rouge » z = 7,085.

C’est 100 millions d'années plus tôt que le précédent record (z = 6,44), mais l’important n’est pas là. L’extrême luminosité et la distance record de ce quasar – nommé ULAS J1120 0641 – offre l’occasion d'étudier les conditions qui régnaient dans l'Univers à l’époque dite de réionisation.

Environ 380 000 ans après le Big Bang, les électrons se sont associés aux noyaux pour former les atomes. L’Univers était alors empli de gaz neutre. Les observations indiquent pourtant que dès un milliard d’années après le Big Bang, l’essentiel du contenu de l’Univers était de nouveau ionisé, comme c’est le cas aujourd’hui. Entre les deux, l’Univers a été progressivement ionisé par le rayonnement des premières générations d’étoiles. Ce processus nommé réionisation est cependant mal connu. Les quasars, avec leur colossale luminosité intrinsèque, sont comme des phares qui percent le brouillard du milieu intergalactique primitif et forment ainsi de précieux marqueurs de la réionisation.

Jusqu’ici, cependant, les observations en lumière visible n’avaient pu remonter que jusqu’à 870 millions d’années après le Big Bang, lorsque le milieu intergalactique était presque entièrement réionisé. Le rayonnement des sources encore plus lointaines est tellement décalé vers le rouge par l’expansion de l’Univers qu’il tombe dans la partie infrarouge du spectre électromagnétique.

L’équipe de D. Mortlock a recherché, parmi les objets visibles dans un grand relevé du ciel en infrarouge réalisé par le Télescope Infrarouge du Royaume Uni (UKIDSS), ceux qui n'ont pas de contrepartie en lumière visible et qui présentent un grand décalage vers le rouge. Ils ont ainsi déniché le quasar J1120 0641, à un décalage vers le rouge z = 7,085, ce qui correspond à 770 millions d’années après le Big Bang.

Dans le spectre de ULAS J1120 0641 sont visibles des motifs d’absorption caractéristiques de l'hydrogène intergalactique neutre, et ce de façon beaucoup plus marquée que pour les quasars plus proches. Les astrophysiciens en déduisent que 770 millions d’années après le Big Bang, l'Univers était encore composé de 10 à 50 pour cent d'hydrogène neutre – en d’autres termes, que la réionisation était loin d’être achevée.

Par ailleurs, ce quasar intrigue par lui-même les astrophysiciens. Ils ont calculé que pour briller avec un tel éclat apparent, ce quasar doit être alimenté par un trou noir d'environ 2 000 milliards de masses solaire, soit 500 fois plus que le trou noir central de la Voie lactée. Comment un trou noir a-t-il pu atteindre une telle masse en si peu de temps ? C’est comme si l'on observait un nourrisson pesant le poids d’un adulte…

Les trous noirs grandissent habituellement en accrétant de la matière. Mais le temps caractéristique pour doubler de masse par ce processus est d’environ 50 millions d’années. Cela impose une masse initiale d’au moins un million de masses solaires. Comment former un tel monstre ? Une autre possibilité est que cet objet résulte de la fusion de plusieurs trous noirs supermassifs lors de collisions de galaxies, ou de périodes d’accrétions anormalement intenses. Aux théoriciens de résoudre maintenant ce casse-tête…