vendredi 26 juin 2015

Première observation d'étoiles primordiales (population III)

Il semblerait que des étoiles de la toute première génération, celles-là même qui ont ensemencé les premières galaxies en atomes de carbone et oxygène il y a 13 milliards d’années aient pu être observées directement pour la première fois. Ces étoiles primordiales, dites de population III, sont assez différentes de celles que nous connaissons, puisque non seulement elles ne sont formées que d’hydrogène, d’hélium et d’un tout petit peu de lithium, mais elles sont aussi beaucoup plus massives que des étoiles comme le soleil, et vivent très peu de temps.


Vue d'artiste de la galaxie CR7 et ses étoiles primordiales
(ESO/M Kommesser)
Ces tout premiers specimens d’étoiles sont sensés s’être formés quelques centaines de millions d’années après le big bang, soit il y a environ 13,3 milliards d’années. Et quand on dit qu’elles sont beaucoup plus massives que le Soleil, c’est de l’ordre de 100 fois plus, il s’agit donc de beaux bébés, mais qui de ce fait ne restent en équilibre que quelques millions d’années seulement avant d’exploser en supernova par effondrement sur elles-mêmes, laissant derrière elles un trou noir déjà bien massif, ainsi qu’une enveloppe de gaz éparpillée, contenant de nouveaux éléments chimiques qui seront utilisés pour former une seconde génération d’étoiles. 

Ces étoiles primordiales n’avaient encore jamais pu être observées, on pensait bien pouvoir le faire à l’aide des futurs grands télescopes en cours de conception comme le James Webb Space Telescope (JWST) (prévu pour 2018), mais l’équipe de David Sobral, astronome à l’université de Lisbonne, semble avoir mis le doigt dessus un peu par hasard en exploitant des données du télescope Subaru de 8,2 m situé sur le volcan Mauna Kea à Hawaï. Ce qu’ils ont observé c’est une portion d’une galaxie très lointaine (13 milliards d’années-lumière), qui ne semble composée que d’hydrogène et d’hélium. Le reste de cette galaxie apparaît quant à elle peuplée d’étoiles de deuxième génération, ce qui apporte une étrangeté supplémentaire.

Ce qui rend difficile ce type d’observation est non seulement la distance considérable qui rend la luminosité de ce type de galaxie très faible, avec la lumière UV émise transformée en proche infra-rouge, et d’autre part la courte durée de vie de ces étoiles primordiales, qui rend la probabilité de les voir également très faible. Mais cette galaxie que les astronomes ont nommée Cosmos Redshift 7 (CR7) était assez brillante est sa lumière très particulière : on y voyait dans son spectre des raies de l’hélium ionisé (He II), ce qui suggérait que la température devait y être très élevée, mais avec une telle température, les raies du carbone et de l’oxygène ionisés (C III et O III) auraient dues être elles-aussi bien visibles. Comme les chercheurs ne voyaient pas les raies spectrales de l’oxygène et du carbone, mais que celles de l’hélium, la conclusion était faite.
La chose étonnante qui a été mise en évidence grâce notamment à l’utilisation d’un autre télescope, le télescope spatial Hubble est que CR7 possède une autre zone, majoritaire, où là, tous les signes d’étoiles de deuxième génération sont présents. Les astronomes ne s’attendaient pas à trouver des étoiles de première génération dans une galaxie qui contient déjà de nombreuses étoiles de deuxième génération.

Sobral et ses collaborateurs suggèrent que ces étoiles de population III observées ne sont pas tout à fait primordiales mais auraient pu se former un peu plus tard que la « vraie » première génération, à partir de nuages de gaz primordial qui aurait survécu plus longtemps que la normale, en restant chaud grâce à l’apport d’énergie fourni par des explosions d’étoiles à proximité. Cette explication permet de comprendre pourquoi elles ont pu être trouvées à 13 milliards d’années-lumière seulement par le modeste télescope Subaru. 

Les télescopes de Mauna Kea (le Subaru est à gauche, puis les deux Keck au centre, et le NITF à droite) (Alan L).
Il existe néanmoins d’autres solutions un peu plus exotiques pour expliquer l’émission de l’hélium ionisé observée, comme celle par exemple d’un trou noir supermassif qui se serait formé directement par effondrement d’énormes quantités de gaz, et qui produirait l’échauffement du gaz mimant une émission stellaire. David Sobral évoque déjà l’identification d’autres galaxies similaires, sur lesquelles il souhaite se pencher très vite, probablement avant que le JWST soit en orbite… 


Source:
Evidence for PopIII-like stellar populations in the most luminous Lyman-α emitters at the epoch of re-ionisation: spectroscopic confirmation
David Sobral et al.
Accepté par the Astrophysical Journal