Pourquoi l'Univers primordial semblait si étrange
Lorsque les astronomes scrutent l'espace sur des milliards d'années-lumière, ils remontent le temps, et ce qu'ils voient ne correspond pas aux galaxies spirales et elliptiques bien ordonnées qui peuplent notre voisinage cosmique. Les galaxies de l'Univers primordial, et les étoiles qui y brûlent, apparaissent nettement plus étranges, et les chercheurs cherchent depuis longtemps à comprendre pourquoi. Une équipe de l'Université de l'Utah attaque cette question sous un angle inhabituel : au lieu de se concentrer uniquement sur les objets les plus faibles et les plus lointains que Hubble peut détecter, elle étudie des étoiles proches qui servent de substituts aux étoiles anciennes.
Les premières étoiles du cosmos ont commencé à se former environ 100 millions d'années après le Big Bang. Elles ont vécu vite, sont mortes jeunes et ont dispersé dans l'espace les éléments qu'elles avaient fabriqués, où ce matériau a été recyclé dans les générations d'étoiles ultérieures. Ce faisant, elles ont remodelé les galaxies qui les abritaient, un processus de rétroaction que les astronomes s'efforcent encore de modéliser en détail.
Un raccourci proche vers le passé lointain
Sous la direction de Grace Telford, professeure adjointe de physique et astronome à l'Université de l'Utah, l'équipe a réalisé un relevé appelé Treasury of Extremely Metal-Poor O Stars, ou TEMPOS. Plutôt que de tenter de capturer la faible lumière d'étoiles qui ont brillé il y a plus de 13 milliards d'années, le relevé a examiné des étoiles dans des galaxies relativement proches qui partagent des caractéristiques physiques importantes avec leurs homologues anciennes.
Les observations reposaient sur la lumière ultraviolette émise par ces étoiles, détectée avec le Cosmic Origins Spectrograph à bord du télescope spatial Hubble. Le rayonnement ultraviolet offre une fenêtre cruciale sur les étoiles les plus chaudes et les plus massives, et la majeure partie est bloquée par l'atmosphère terrestre, ce qui explique précisément pourquoi le point de vue de Hubble au-dessus de l'atmosphère est si important pour ce type de travail.
Lire les empreintes des étoiles anciennes
En astronomie, qualifier une étoile de pauvre en métaux ne signifie pas qu'elle manque de fer ou de nickel au sens courant. Cela signifie que l'étoile ne contient que des quantités infimes de tout élément plus lourd que l'hélium. L'Univers naissant était composé presque entièrement d'hydrogène et d'hélium, de sorte que les premières étoiles n'avaient pratiquement aucun élément plus lourd avec lequel travailler. En localisant des étoiles locales à teneur en métaux tout aussi faible, l'équipe de Telford constitue un ensemble de données qui permet d'étudier de près la physique de ces conditions, ce qu'il est impossible de faire directement pour des objets situés au bord de l'Univers observable.
L'influence démesurée des étoiles massives
Les étoiles ciblées par TEMPOS sont massives, et cette caractéristique compte énormément pour l'évolution des galaxies. Telford explique que des étoiles comme celles-ci brûlent à des températures extrêmement élevées et avec une luminosité intense, épuisant rapidement leur carburant et terminant leur brève existence en explosions de supernova qui déposent une grande quantité d'énergie et de matière dans le gaz qui les entoure. Par ce processus, elles chauffent le gaz environnant et régulent la proportion de celui-ci qui reste suffisamment froid pour s'effondrer et former de nouvelles étoiles, gouvernant ainsi effectivement la trajectoire évolutive de leurs galaxies hôtes.
Ce rôle régulateur est l'une des raisons pour lesquelles l'Univers primordial semblait si différent de celui que nous habitons. Lorsque les étoiles massives sont courantes, elles peuvent supprimer ou déclencher la formation d'étoiles en vagues successives, laissant les galaxies avec des formes, des couleurs et des populations stellaires inhabituelles. Comprendre comment se comportaient les premières générations d'étoiles revient donc directement à comprendre comment les premières galaxies se sont assemblées.
Des géantes de type O aux vents Wolf-Rayet
Les étoiles de type O comptent parmi les plus grandes et les plus brillantes de l'Univers, et elles vivent peu de temps selon les critères stellaires. Certaines d'entre elles, à l'approche de la fin de leur existence, deviennent des étoiles Wolf-Rayet, qui projettent d'énormes quantités de masse dans l'espace par de puissants vents stellaires. Ces vents arrachent les couches externes des étoiles et exposent leurs régions internes brûlantes. Les observations de systèmes Wolf-Rayet, y compris de paires binaires, aident les astronomes à comprendre la perte de masse intense qui façonne les derniers chapitres des étoiles massives et l'enrichissement chimique qu'elles laissent derrière elles.
Le long regard de Hubble dans le temps
Regarder aussi loin que possible dans le temps cosmique a été une mission centrale pour le télescope spatial Hubble depuis son premier relevé de champ profond en 1995. Même dans ces premières images, les minuscules galaxies lointaines semblaient étranges, ne correspondant pas tout à fait aux galaxies que nous voyons plus près de chez nous. Ce décalage a soulevé une question de l'œuf et de la poule qui alimente encore la recherche : les étoiles se sont-elles formées en premier, ou les galaxies ?
Les preuves suggèrent que les étoiles sont venues en premier. Les premières étoiles étaient probablement des monstres, forgées à partir des vastes réservoirs d'hydrogène disponibles dans le cosmos naissant, et elles étaient plus de dix fois plus massives que le Soleil. Leur taille et leur luminosité mêmes signifiaient qu'elles vivaient furieusement et mouraient rapidement, ensemençant le cosmos en éléments plus lourds et préparant le terrain pour les galaxies qui ont suivi. Les étoiles de population III, comme on appelle cette première génération, se sont formées quelques centaines de millions d'années après le Big Bang et sont pratiquement invisibles aujourd'hui parce qu'elles ont disparu il y a si longtemps.
Pourquoi cela compte pour l'évolution des galaxies
En identifiant des étoiles O locales pauvres en métaux et en étudiant leurs spectres ultraviolets, l'équipe TEMPOS constitue quelque chose comme une bibliothèque de référence, un ensemble d'objets proches dont le comportement mesuré peut éclairer les modèles de la toute première génération stellaire. Les modèles construits à partir d'étoiles analogues donnent aux astronomes un moyen de raisonner sur des étoiles qu'ils ne pourront jamais observer directement.
- De meilleurs modèles des étoiles de population III : les étoiles O proches pauvres en métaux fournissent des repères mesurables pour la masse, la température et les taux de perte de masse qui peuvent être extrapolés à la première génération stellaire.
- Une image plus claire de l'assemblage des galaxies : parce que les étoiles massives régulent le gaz disponible pour la formation d'étoiles, leur comportement détermine quand et où les galaxies construisent de nouvelles étoiles.
- Une meilleure interprétation des observations lointaines : lorsque Hubble et ses successeurs capturent la lumière de galaxies lointaines, les modèles éclairés par TEMPOS aident à expliquer ce qui est observé.
- Un pont à travers le temps cosmique : le relevé relie des étoiles qui peuvent être étudiées dans les moindres détails aujourd'hui aux étoiles inaccessibles qui ont façonné les premières galaxies de l'Univers.
La route à venir
L'ensemble de données TEMPOS est utilisé pour identifier les étoiles dignes d'une étude astrophysique plus approfondie, et chaque nouvelle cible ajoute des détails à une image de plus en plus nuancée du comportement des étoiles massives pauvres en métaux. Ce travail ne satisfait pas seulement la curiosité sur le passé lointain ; il aiguise aussi les outils théoriques que les astronomes utilisent pour interpréter chaque nouvelle image de champ profond, des archives de Hubble aux futurs observatoires.
L'Univers primordial reste un lieu étrange dans notre imagination, un cosmos d'étoiles énormes et éphémères dont les explosions ont illuminé les jeunes galaxies et enrichi le gaz qui les entourait. Telford et ses collègues s'efforcent de rendre cette étrangeté lisible, étoile par étoile, en utilisant les analogues les plus proches disponibles pour reconstituer un chapitre de l'histoire cosmique qui s'est achevé bien avant que la Voie lactée ne prenne forme.
Cet article est basé sur un reportage de Universe Today. Lire l'article original.
Originally published on universetoday.com
