samedi 10 octobre 2015

Les plus vieilles étoiles de l'Univers cachées dans notre Galaxie

Les étoiles que nous appelons étoiles de Population III sont les premières étoiles qui ont été produites dans l'Univers, les étoiles primordiales qui se sont formées dans les galaxies naissantes il y a environ 13,3 milliards d'années. Si elles n'étaient pas trop massives à leur apparition, ces étoiles de Population III devraient encore exister aujourd'hui, dans notre galaxie. Mais on ne les trouve pas. A moins qu'elles ne se cachent subtilement à nos télescopes...



Vue d'artiste d'étoiles primodiales (WMAP Science Team)
Des simulations cosmologiques de la formation des étoiles de Population III ont montré que la masse de ces étoiles pouvait s'étendre depuis des valeurs très grandes, plusieurs centaines de masses solaires jusqu'à des masses inférieures à celle du soleil (0,8 masse solaire). Alors que les étoiles très massives ont une durée de vie très courte et finissent par exploser et fournir de la matière à la génération suivante d'étoiles (dites de population II), celles qui avaient une masse de l'ordre de 0,8 masse solaire doivent avoir survécu plus de 13 milliards d'années et se retrouver aujourd'hui sous la forme d'étoiles de la séquence principale ou de géantes rouges.
La particularité de ces étoiles de première génération est qu'elles ne doivent pas contenir d'éléments chimiques plus évolués que l'hydrogène et l'hélium. Elles ne doivent pas comporter ni d'oxygène, ni de carbone, ni d'autres éléments plus lourds, ce que les astronomes appellent des métaux. La recherche de telles étoiles dans notre galaxie passe donc par la recherche d'étoiles montrant une absence de métaux. Or on n'en trouve pas, alors qu'elles devraient être là.
Et le milieu interstellaire, milieu qui sépare les étoiles au sein d'une galaxie se trouve pouvoir être riche en métaux, et on sait que les étoiles peuvent absorber une partie de ces gaz interstellaires par le phénomène d'accrétion. Un astrophysicien américain du Los Alamos National Laboratory vient de publier une étude dans laquelle il montre que les étoiles de faible masse peuvent absorber de la matière du milieu interstellaire en "sélectionnant" la matière absorbée, préférant le gaz et rejetant les grains de poussière. Cette sélection a lieu à cause de la pression de radiation exercée par l'étoile, qui a pour effet de repousser les grains de poussière sans pouvoir le faire sur les molécules de gaz.

Jarrett Johnson s'est donc intéressé au cas des étoiles de Population III manquantes et a simulé ce à quoi elles ressembleraient en produisant ce phénomène d'accrétion de matière différentielle. La "signature" qu'il obtient pour ces étoiles, du fait de la forte absence de fer qui est principalement contenu dans les grains de poussières, non absorbés, est une population d'étoiles enrichies en carbone et autres éléments légers (venant du gaz accrété) mais pauvres en fer.
Or, des étoiles avec cette signature chimique existent bel et bien dans notre galaxie ! Elles sont appelées des étoiles CEMP (Carbon-Enhanced Metal-Poor) et ont une origine qui reste pour le moment énigmatique. 
Jarret Johnson émet alors l'hypothèse simple que ces étoiles CEMP pourraient en fait être les étoiles de Population III tant recherchées, mais elles seraient polluées chimiquement par l'accrétion différentielle du milieu interstellaire, et on ne les aurait donc tout bonnement pas reconnues...
Johnson conclut son étude avec beaucoup d'humilité en précisant que les étoiles CEMP pourraient avoir d'autres origines par d'autres processus physiques, et que les étoiles de Population III pourraient aussi ne pas produire d'accrétion du tout si elles projettent un vent solaire suffisant pour repousser la matière environnante, ce que font de nombreuses étoiles de faible masse. Mais dans ce cas on devrait les trouver facilement, ce qui n'est pas le cas... Alors son hypothèse apparaît être tout sauf saugrenue. Les premières étoiles de l'Univers sont peut-être là, tout près de nous.

Source : 

The chemical signature of surviving Population III stars in the Milky Way
Jarrett L. Johnson
Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 453, 2771–2778 (2015)

4 commentaires :

sixenligne atmo a dit…

Bonjour,
Je me pose une question sur cette partie :
"La particularité de ces étoiles de première génération est qu'elles ne doivent pas contenir d'éléments chimiques plus évolués que l'hydrogène et l'hélium. Elles ne doivent pas comporter ni d'oxygène, ni de carbone, ni d'autres éléments plus lourds..."

Ces étoiles sont censées s'être formées 400 millions d'années après le Big Bang et j'aurai pensé que depuis 13.3 milliards d'années, elles auraient eu le temps de former des éléments plus lourds que l'H et l'He au sein de leur coeur, non?

Dr Eric SIMON a dit…

Apparemment les étoiles de Pop III ont la particularité d'être très chaudes et produisent énormément de transferts par convection et fusionnent essentiellement par un processus qui est appelé p-p. Il est possible que ce phénomène soit à la base du fait que tout l'hydrogène doit être fusionné en hélium avant de passer à autre chose...(?). Il est sans doute possible qu'elle contiennent un peu de carbone (non accrété), mais en quantités très faibles. Ne pas oublier que ça prend du temps de fusionner toute cette masse. Le soleil au bout de 4,6 milliards d'années n'en a pas fini avec son hydrogène, loin de là.... Et de là à ce qu'il commence à fusionner son hélium, ça sera dans au moins 4 ou 5 milliards d'années. C'est plus facile d'ailleurs pour les étoiles qui contiennent déjà des noyaux plus lourds comme les étoiles de Pop II, les C,N,O, agissent un peu comme des catalyseurs en permettant un cycle de réactions de fusion thermonucléaire plus efficaces.

sixenligne atmo a dit…

Il y a toujours un point qui me dérange :
En reprenant votre exemple d'une étoile de population III de 0,8 masse solaire, elle aurait une espérance de vie de 13 milliards d'années environ, on peut donc dire qu'elle serait en fin de vie actuellement, le H devrait logiquement être au plus bas et le He au plus haut, pourquoi ne cherche-t-on pas des petites étoiles avec une forte proportion de He et une très faible de H?

Dr Eric SIMON a dit…

Qui a dit qu'on ne cherchait pas de telles étoiles ? On les cherche, on les cherche... ;-))