La question de savoir pourquoi les raies d'azote sont exceptionnellement fortes chez certains quasars est débattue depuis des décennies. Certaines études l'expliquaient par une forte métallicité globale du gaz dans la région des raies larges (BLR), d'autres par un enrichissement sélectif en azote. Cependant, il était impossible de séparer directement ces deux effets au sein de la BLR : les estimations antérieures de la métallicité s'appuyaient sur les raies d'azote et dépendaient donc du mécanisme de production supposé. Ce travail s'inscrit dans la lignée des recherches sur l'évolution chimique des quasars et des galaxies, mais s'en distingue par le fait qu'il compare pour la première fois de manière systématique des indicateurs de métallicité azotés et non azotés sur un grand échantillon de quasars N-loud et un groupe de contrôle de quasars ordinaires appariés.
Dans le catalogue DESI DR1, on a sélectionné 121 quasars à raies d'azote anormalement fortes (N-loud) dans une plage de décalages vers le rouge allant de 2,13 à 3,90. Pour chacun, on a apparié de trois à cinq quasars ordinaires de même décalage vers le rouge, de même luminosité du continuum et de même masse du trou noir, estimée à partir de la raie C IV ; on a en outre construit un échantillon de contrôle en masse à partir de la raie Mg II pour vérifier la robustesse. Tous les spectres ont été traités de manière uniforme : soustraction d'un continuum en loi de puissance, décomposition des raies en composantes à profil en double loi de puissance, et mesure des flux de raies par la méthode de Monte-Carlo. La métallicité a été estimée à l'aide des modèles de photoionisation CLOUDY dans le cadre du modèle de nuages localement optimisés en émission (LOC), en utilisant à la fois des rapports de raies azotés (N V/C IV, N III]/C III], N III]/O III]) et non azotés ((Si IV+O IV])/C IV, Al III/C IV).
Au sein de l'échantillon de quasars N-loud, la métallicité déduite de N V/C IV s'échelonne d'environ 3 à 50 fois la valeur solaire, tandis que celle déduite de l'indicateur non azoté (Si IV+O IV])/C IV se situe essentiellement entre 1 et 20 fois la valeur solaire, le premier dépassant systématiquement le second d'un facteur 2,5 en moyenne. Les deux indicateurs non azotés, (Si IV+O IV])/C IV et Al III/C IV, concordent bien entre eux. Par rapport à l'échantillon de contrôle, les quasars N-loud présentent une métallicité médiane d'environ 5 fois la valeur solaire contre 1,5 fois la valeur solaire selon (Si IV+O IV])/C IV, et d'environ 12 fois la valeur solaire contre 4 fois la valeur solaire selon N V/C IV. Dans la zone de recouvrement en métallicité, la pente de la relation entre estimations azotée et non azotée est significativement plus raide pour les quasars N-loud (0,96 contre 0,56, p=0,011), ce qui indique un enrichissement supplémentaire en azote croissant avec la métallicité globale. Les excès de raies subsistent sur toute la plage de masses de trous noirs et de rapports d'Eddington, et pour N V/C IV on devine une croissance de l'excès aux plus faibles masses et aux taux d'accrétion plus élevés.
Ce travail sépare pour la première fois directement la contribution de la métallicité globale et celle de l'excès relatif d'azote dans la BLR des quasars à raies d'azote anormalement fortes. Contrairement aux études voisines, qui s'appuyaient soit uniquement sur les raies d'azote, soit sur une région de raies étroite (NLR), on applique ici des indicateurs non azotés à la même BLR et on les compare à un groupe de contrôle soigneusement apparié. Cela permet d'affirmer que les quasars N-loud ne sont pas seulement plus riches en métaux, mais possèdent aussi un excès supplémentaire d'azote qui n'est pas décrit par la production secondaire standard de l'azote. Un tel résultat remet en question l'universalité de la relation N/O avec O/H et exige une révision des modèles d'évolution chimique au cœur des galaxies.
Le sujet peut se développer dans plusieurs directions. Premièrement, accroître l'échantillon de quasars N-loud dotés de masses fiables déduites de Mg II et d'un jeu complet de raies ultraviolettes permettra de tester plus rigoureusement la dépendance de l'excès d'azote à la métallicité globale et aux propriétés de l'accrétion. Deuxièmement, une modélisation plus souple des abondances, où l'azote varie indépendamment de la métallicité, aidera à quantifier l'excès et à le confronter aux prédictions de scénarios d'enrichissement précis, tels qu'un vent stellaire retardé issu d'étoiles de la branche asymptotique des géantes ou le recyclage de matière dans le disque d'accrétion. Troisièmement, la comparaison avec des systèmes récemment découverts présentant un excès d'azote à grand décalage vers le rouge, notamment des objets compacts du type « petites taches rouges », pourrait éclaircir la question de savoir s'il existe un mécanisme commun de rétention du gaz chimiquement transformé dans les milieux nucléaires denses.
Les résultats auront des répercussions sur les recherches consacrées à l'évolution chimique des galaxies et des noyaux actifs, ainsi que sur l'interprétation des spectres d'objets lointains, où les raies d'azote servent d'indicateur de métallicité.
Construire un échantillon plus vaste de quasars N-loud avec des masses déduites de Mg II et mener une modélisation faisant varier indépendamment l'abondance d'azote, afin de quantifier l'excès et de tester des scénarios d'enrichissement précis.
Ce travail est directement lié au problème non résolu de l'origine des raies d'azote anormalement fortes dans les quasars : s'agit-il de la conséquence d'une métallicité globale élevée ou d'un enrichissement sélectif en azote ? Le résultat obtenu, à savoir la partiale indépendance de l'abondance relative d'azote par rapport à la métallicité globale, indique la nécessité de réviser les modèles standards d'évolution chimique au cœur des galaxies et de rechercher des sources supplémentaires d'azote.
Une métallicité de 50 fois la valeur solaire signifie que, dans le gaz de la région des raies larges de certains quasars, la proportion d'éléments plus lourds que l'hélium est 50 fois supérieure à celle du Soleil. Et l'azote y est encore plus abondant par rapport à l'oxygène que ne le prédit le modèle standard de production secondaire.