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Premières traces potentielles de l’une des premières étoiles de l’Univers

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Crédits : NOIRLab/NSF/AURA/J. da Silva/moteur spatial

Une poche de gaz entourant un quasar lointain pourrait contenir des restes d’une étoile de Population III, l’une des premières étoiles de l’Univers. Jusqu’à présent, ces objets étaient restés insaisissables. Les détails de l’étude sont publiés dans The Astrophysical Journal.

Les premières étoiles de l’Univers

On distingue trois populations d’étoiles. Ces dernières ont été nommées dans l’ordre dans lequel elles ont été observées, de sorte que les étoiles de la population III sont contre-intuitivement les plus anciennes. Autrement dit, elles sont les premières à s’être formées après le Big Bang.

À noter également que selon la cosmologie du Big Bang, la nucléosynthèse ne produit pas d’éléments lourds en raison de la diminution rapide de la densité et de la température à mesure que l’Univers s’étend. Nous savons ainsi que les éléments lourds observés dans divers objets ont été synthétisés ultérieurement, à l’intérieur d’étoiles massives, puis disséminés par les supernovae.

Ainsi, nous savons que la toute première génération d’étoiles, celle de Population III, n’était pas constituée d’éléments lourds, mais uniquement d’hydrogène et d’hélium, les éléments primordiaux de l’Univers. Ces étoiles ont ensuite forgé des éléments lourds qui ont par la suite constitué les étoiles de Population II, puis de Population I.

Les astronomes estiment que ces toutes premières étoiles (qui devaient être gigantesques) se sont probablement formées alors que l’Univers n’avait que cent millions d’années. Cependant, malgré des décennies de recherches, nous n’avions toujours aucune preuve directe de leur présence dans l’Univers primitif. C’est désormais chose faite.

Les astronomes Yuzuru Yoshii et Hiroaki Sameshima, de l’Université de Tokyo, ont fait cette découverte en analysant la lumière vieille de 13,1 milliards d’années du gaz entourant l’un des quasars connus les plus éloignés grâce au télescope Gemini North, à Hawaii.

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Vue d’artiste du quasar lointain. Crédits : NOIRLab/NSF/AURA/J. da Silva/moteur spatial

Supernova à instabilité de paires

En utilisant une méthode innovante qui permet de déduire les éléments chimiques contenus dans les nuages ​​entourant ce quasar, les chercheurs ont en effet remarqué que ce matériau contenait plus de dix fois plus de fer que de magnésium comparé au rapport de ces éléments trouvés dans le Soleil. Il s’agissait d’une composition très inhabituelle. Comment l’expliquer ?

Pour les deux astronomes, ce matériau serait en réalité les restes d’une étoile de première génération ayant explosé en supernova à instabilité de paires.

Ces explosions se produisent lorsque des photons au centre d’une étoile se transforment spontanément en électrons et en positrons, l’antimatière homologue chargée positivement de l’électron. Ce processus réduit la pression de rayonnement à l’intérieur de l’étoile, ce qui conduit finalement à son effondrement et à l’explosion qui en résulte.

Contrairement à d’autres supernovae, ces événements ne laisseraient aucun résidu stellaire, comme une étoile à neutrons ou un trou noir. Autrement, toute leur matière serait éjectée dans leur environnement.

Notez que ces versions de supernova n’ont jamais été observées. Cependant, elles sont théorisées comme la fin de vie d’étoiles gigantesques entre 150 et 250 fois plus massives que le Soleil. Pour identifier leurs traces, deux solutions sont possibles : soit les astronomes en repèrent une au moment où elle se produit, ce qui est hautement improbable, soit ils identifient leur signature chimique à partir de la matière éjectée dans l’espace interstellaire. C’est donc ce qui s’est produit ici.

Les astronomes espèrent un jour pouvoir identifier les signatures chimiques de l’une de ces étoiles plus près de chez nous, dans notre Galaxie. Bien que ces objets de Population III se soient tous éteints depuis longtemps, leurs empreintes chimiques pourraient encore persister dans leur matériau éjecté.