Des astronomes disent avoir repéré les premières étoiles de l'univers

Un groupe d'astronomes examinant les données du télescope spatial James Webb (JWST) a entrevu la lumière d'un isotope rare de l'hélium dans une galaxie lointaine, ce qui pourrait indiquer la présence de la toute première génération d'étoiles de l'univers.

Ces étoiles longtemps recherchées et mal nommées "Population III" auraient été de gigantesques boules d'hydrogène et d'hélium sculptées à partir du gaz primordial de l'univers. Les théoriciens ont commencé à imaginer ces premières boules de feu dans les années 1970, en émettant l'hypothèse qu'après de courtes durées de vie, elles explosaient en supernovas, forgeant des éléments plus lourds et les crachant dans le cosmos. Ce truc d'étoiles a ensuite donné naissance à des étoiles de la population II plus abondantes en éléments lourds, puis à des étoiles de la population I encore plus riches comme notre soleil, ainsi qu'à des planètes, des astéroïdes, des comètes et finalement à la vie elle-même.

"Nous existons, donc nous savons qu'il doit y avoir eu une première génération de stars", a déclaré Rebecca Bowler, astronome à l'Université de Manchester au Royaume-Uni.

Maintenant, Xin Wang, astronome à l'Académie chinoise des sciences de Pékin, et ses collègues pensent les avoir trouvés. "C'est vraiment surréaliste", a déclaré Wang. La confirmation est toujours nécessaire ; le papier de l'équipe, publié sur le serveur de prépublication arxiv.org le 8 décembre, est en attente d'examen par les pairs à Nature.

Même si les chercheurs se trompent, une détection plus convaincante des premières étoiles n'est peut-être pas loin. JWST, qui est transformer de vastes pans de l'astronomie, est supposée capable de regarder assez loin dans l'espace et dans le temps pour les voir. Déjà, le gigantesque télescope flottant a détecté des galaxies lointaines dont les luminosité suggère qu'ils peuvent contenir des étoiles de la population III. Et d'autres groupes de recherche en lice pour découvrir les étoiles avec JWST analysent maintenant leurs propres données. "C'est absolument l'une des questions les plus brûlantes", a déclaré Mike Normand, un physicien de l'Université de Californie à San Diego qui étudie les étoiles dans des simulations informatiques.

Une découverte définitive permettrait aux astronomes de commencer à sonder la taille et l'apparence des étoiles, quand elles existaient et comment, dans l'obscurité primordiale, elles s'illuminaient soudainement.

"C'est vraiment l'un des changements les plus fondamentaux de l'histoire de l'univers", a déclaré Bowler.

Population XNUMX

Environ 400,000 XNUMX ans après le Big Bang, les électrons, les protons et les neutrons se sont suffisamment installés pour se combiner en atomes d'hydrogène et d'hélium. Au fur et à mesure que la température baissait, la matière noire s'est progressivement agglutinée, entraînant les atomes avec elle. À l'intérieur des amas, l'hydrogène et l'hélium ont été écrasés par gravité, se condensant en d'énormes boules de gaz jusqu'à ce que, une fois les boules suffisamment denses, la fusion nucléaire s'enflamme soudainement en leur centre. Les premières étoiles sont nées.

L'astronome allemand Walter Baade classés les étoiles de notre galaxie en types I et II en 1944. Le premier comprend notre soleil et d'autres étoiles riches en métaux ; ce dernier contient des étoiles plus anciennes constituées d'éléments plus légers. L'idée des étoiles de la population III est entrée dans la littérature des décennies plus tard. Dans un article de 1984 qui a rehaussé leur profil, l'astrophysicien britannique Bernard Carr décrit le rôle essentiel cette race originale d'étoiles a peut-être joué dans l'univers primitif. "Leur chaleur ou leurs explosions auraient pu réioniser l'univers", ont écrit Carr et ses collègues, "... et leur rendement en éléments lourds aurait pu produire une explosion d'enrichissement prégalactique", donnant naissance à des étoiles ultérieures plus riches en éléments plus lourds.

Carr et ses co-auteurs ont estimé que les étoiles auraient pu atteindre des tailles immenses, mesurant entre quelques centaines et 100,000 XNUMX fois plus massives que notre soleil, en raison du grand volume d'hydrogène et d'hélium gazeux disponibles dans l'univers primitif.

Celles à l'extrémité la plus lourde de la gamme, les étoiles dites supermassives, auraient été relativement froides, rouges et gonflées, avec des tailles qui pourraient englober presque tout notre système solaire. Des variantes plus denses et de taille plus modeste des étoiles de la population III auraient brillé d'un bleu chaud, avec des températures de surface d'environ 50,000 5,500 degrés Celsius, contre seulement XNUMX XNUMX degrés pour notre soleil.

En 2001, des simulations informatiques dirigées par Norman ont expliqué comment de si grosses étoiles ont pu se former. Dans l'univers actuel, les nuages ​​de gaz se fragmentent en de nombreuses petites étoiles. Mais les simulations ont montré que les nuages ​​​​de gaz dans l'univers primitif, étant beaucoup plus chauds que les nuages ​​modernes, ne pouvaient pas se condenser aussi facilement et étaient donc moins efficaces pour la formation d'étoiles. Au lieu de cela, des nuages ​​entiers s'effondreraient en une seule étoile géante.

Leurs proportions immenses signifiaient que les étoiles étaient de courte durée, durant quelques millions d'années tout au plus. (Les étoiles plus massives brûlent plus rapidement leur carburant disponible.) En tant que telles, les étoiles de la population III n'auraient pas duré longtemps dans l'histoire de l'univers - peut-être quelques centaines de millions d'années lorsque les dernières poches de gaz primordial se sont dissipées.

Il y a beaucoup d'incertitudes. À quel point ces étoiles sont-elles vraiment devenues massives ? À quelle heure ont-ils existé dans l'univers ? Et combien étaient-ils abondants dans l'univers primitif ? "Ce sont des étoiles complètement différentes des étoiles de notre propre galaxie", a déclaré Bowler. "Ce sont juste des objets tellement intéressants."

Parce qu'ils sont si loin et ont existé si brièvement, trouver des preuves pour eux a été un défi. Cependant, en 1999, des astronomes de l'Université du Colorado, Boulder ont prédit que les étoiles devraient produire une signature révélatrice: une fréquence spécifique de la lumière de l'hélium-2. Cette forme instable d'hélium ne contient que deux protons dans son noyau, tandis que l'hélium ordinaire contient également deux neutrons. "L'émission d'hélium ne provient pas réellement de l'intérieur des étoiles elles-mêmes", a expliqué James Trussler, astronome à l'Université de Manchester ; il a plutôt été créé lorsque des photons énergétiques provenant des surfaces chaudes des étoiles ont pénétré dans le gaz entourant l'étoile.

"C'est une prédiction relativement simple", a déclaré Daniel Schaerer de l'Université de Genève, qui développé l'idée en 2002. La chasse était lancée. 

Trouver les premières étoiles

En 2015, Schaerer et ses collègues pensaient avoir trouvé quelque chose. Ils détecté un indice possible d'une signature d'hélium-2 dans une galaxie primitive lointaine qui aurait pu être liée à un groupe d'étoiles de la population III. Vue telle qu'elle est apparue 800 millions d'années après le Big Bang, la galaxie semblait contenir la première preuve des premières étoiles de l'univers.

Travaux ultérieurs dirigés par Bowler a contesté les conclusions. "Nous avons trouvé des preuves d'émission d'oxygène à partir de la source. Cela a exclu un scénario purement Population III », a-t-elle déclaré. Un groupe indépendant alors n'a pas réussi à détecter la ligne d'hélium-2 vu par l'équipe initiale. "Ce n'était pas là", a déclaré Bowler.

D'autres pourraient-ils mieux s'en sortir ?

Astronomes placé leurs espoirs sur JWST, qui a été lancé en décembre 2021. Le télescope, avec son énorme miroir et sa sensibilité sans précédent à la lumière infrarouge, peut scruter plus facilement l'univers primitif que n'importe quel télescope avant lui. (Parce que la lumière prend du temps pour voyager ici, le télescope voit des objets faibles et lointains tels qu'ils sont apparus il y a longtemps.) Le télescope peut également faire de la spectroscopie, décomposant la lumière en ses longueurs d'onde composantes, ce qui lui permet de rechercher la marque d'hélium-2 de Étoiles de population III.

L'équipe de Wang a analysé les données de spectroscopie pour plus de 2,000 620 cibles de JWST. L'une est une galaxie lointaine vue telle qu'elle est apparue à peine 2 millions d'années après le Big Bang. Selon les chercheurs, la galaxie est divisée en deux morceaux. Leur analyse a montré qu'une moitié semble avoir la signature clé de l'hélium-XNUMX mélangée à la lumière d'autres éléments, indiquant potentiellement une population hybride de milliers d'étoiles de la population III et d'autres étoiles. La spectroscopie de la seconde moitié de la galaxie reste à faire, mais sa luminosité laisse entrevoir un environnement plus riche en population III.

"Nous essayons de demander du temps d'observation pour JWST au cours du prochain cycle afin de couvrir toute la galaxie", a déclaré Wang, afin "d'avoir une chance de confirmer de tels objets".

La galaxie est un "casse-tête", selon Norman. Si les résultats de l'hélium-2 résistent à l'examen, a-t-il déclaré, "une possibilité est un groupe d'étoiles de la population III". Cependant, il ne sait pas si les étoiles de la population III et les étoiles ultérieures pourraient se mélanger si facilement.

Daniel Whalen, astrophysicien à l'Université de Portsmouth, était tout aussi prudent. "Cela pourrait certainement être la preuve d'un mélange d'étoiles de la population III et de la population II dans une galaxie", a-t-il déclaré. Cependant, bien que ce soit "la première preuve directe" des premières étoiles de l'univers, a déclaré Whalen, "ce n'est pas une preuve claire". D'autres objets cosmiques très chauds peuvent produire une signature similaire d'hélium-2, y compris des disques brûlants de matière qui tourbillonnent autour des trous noirs.

Wang pense que son équipe peut exclure un trou noir comme source car ils n'ont pas détecté de signatures spécifiques d'oxygène, d'azote ou de carbone ionisé qui seraient attendues dans ce cas. Cependant, le travail attend toujours un examen par les pairs, et même dans ce cas, des observations de suivi devront confirmer ses conclusions potentielles.

Chaud sur la piste

D'autres groupes utilisant JWST sont également à la recherche des premières étoiles.

Outre la recherche d'hélium-2, une autre méthode de recherche, proposée par l'astronome Rogier Windhorst de l'Arizona State University et ses collègues en 2018, consiste à utiliser la gravité d'amas géants de galaxies pour voir des étoiles individuelles dans l'univers primitif. L'utilisation d'un objet massif comme un amas pour déformer la lumière et agrandir des objets plus éloignés (une technique connue sous le nom de lentille gravitationnelle) est un moyen courant pour les astronomes d'obtenir des vues de galaxies éloignées. Windhorst pensait que même les étoiles individuelles de la population III s'approchant du bord d'un amas lourd "pourraient en principe subir un grossissement presque infini" et apparaître, a-t-il déclaré.

Windhorst dirige un programme JWST qui est essayer la technique. "Je suis assez confiant que dans un an ou deux, nous en aurons vu", a-t-il déclaré. « Nous avons déjà des candidats. De même, Eros Vanzella, astronome à l'Institut national d'astrophysique en Italie, est diriger un programme qui étudie un groupe de 10 ou 20 étoiles candidates de la population III en utilisant la lentille gravitationnelle. "Nous ne faisons que jouer avec les données maintenant", a-t-il déclaré.

Et il reste la possibilité alléchante que certains des galaxies étonnamment brillantes déjà vus par JWST dans l'univers primitif pourraient devoir leur luminosité aux étoiles massives de la population III. "Ce sont exactement les époques où nous nous attendons à ce que les premières étoiles se forment", a déclaré Vanzella. "J'espère... que dans les prochaines semaines ou mois, les premières étoiles seront détectées."