mercredi 30 mars 2022

Earendel : une étoile individuelle vue 900 millions d'années après le Big Bang


L'étoile individuelle la plus lointaine vient d'être observée avec le télescope Hubble: sa lumière a voyagé pendant 12,9 milliards d'années. 1 million de fois plus brillante que le Soleil et 50 à 100 fois plus massive, elle a pu être observée grâce à une amplification et un étirement de sa lumière par un effet de lentille gravitationnelle. Elle bat le record précédent de près de 4 milliards d'années-lumière. L'étude est parue dans Nature

Earendel, c'est le nom que leur ont donné ses découvreurs Brian Welch (Université Johns Hopkins) et ses collaborateurs. Earendel un mot de vieil anglais qui signifie "étoile du matin". L'étoile a été découverte dans une jeune galaxie connue sous le nom d'Arc du Soleil Levant . Accessoirement, "Earendil" est le nom d'un personnage dans "Le Silmarillion" de Tolkien, qui a également inspiré le nom, comme le précise Brian Welch. Les chercheurs l'ont repérée grâce au signal de lentille gravitationnelle qu'elle a produit en se trouvant fortuitement alignée avec un amas de galaxies d'avant-plan nommé WHL0137-LS. L'étoile, qui se trouve à un redshift de 6,2 (900 millions d'années après le Big Bang) est grossie par un facteur supérieur à 1000. L'amas de galaxies déflecteur, lui, se trouve à un redshift de 0,566, ce qui fait une distance de 5,6 milliards d'années-lumière.
Contrairement aux étoiles lentillées qui ont pu être observées dans le passé, le grossissement et la luminosité observée de Earendel sont restés à peu près constants pendant les 3,5 années d'imagerie et de suivi qui ont été menés. La magnitude UV absolue de l'étoile, -10 ± 2, est cohérente avec une étoile de masse supérieure à 50 fois la masse du Soleil. Selon le modèle de lentille qui est utilisé, l'amplification de la lumière de l'étoile va d'un facteur 1400 à 8400... 
Welch étudiait une tache qui apparaissait sur l'Arc du Soleil Levant (ou WHL0137-zD1), une galaxie d'apparence très déformée par la lentille, qui avait été découverte par Dan Coe en 2016 et qui montre deux bandes incurvées. Cette tache non dédoublée se trouve à l'endroit de la galaxie où le grossissement de la lentille gravitationnelle est le plus fort. En effet, certaines portions de la galaxie apparaissent trois fois, mais pas cette tache, ce qui implique que les images démultipliées de cet objet se superposent sur elles-mêmes : l'objet se trouve exactement au point de focalisation de la lentille.
Les chercheurs pensaient initialement qu'il s'agissait d'un amas d'étoiles, mais après avoir modélisé les propriétés intrinsèques de l'objet, ils ont convergé vers la solution d'une étoile unique, mais très massive et très lumineuse.
La luminosité dérivée d'Earendel est cohérente avec une étoile massive comprise entre 40 et 500 M⊙. Cette étoile unique serait soit une étoile de type O sur la séquence principale avec une température effective d'environ 60 000 K et une masse supérieure à 100M⊙, soit une étoile évoluée de type O, B ou A avec une masse supérieure à 40M⊙ et une température quelque part entre 8 000 K et 60 000 K. Mais en tenant compte de plusieurs paramètres physiques, Welch et son équipe trouvent que les masses entre 50 et 100 M⊙ et les températures supérieures à 20 000 K sont les plus probables.
Les astrophysiciens estiment la probabilité d'observer une étoile de masse supérieure à 100M⊙ dans une galaxie à croisement caustique telle que l'Arc du Soleil Levant : elle est de quelques pour cent, ce qui en fait une découverte chanceuse mais raisonnable selon eux, étant donné que des dizaines de galaxies de ce type ont été observées. Et au cours des dernières décennies, les astronomes ont vu des galaxies plus lointaines encore, jusqu'à un redshift de 11 (400 millions d'années après le Big Bang), mais ces galaxies sont vues comme des taches de lumière composées de milliards d'étoiles indiscernables. Voir une telle étoile discernée individuellement est précieux.

Il est possible qu'Earendel soit une étoile de population III, c'est-à-dire une étoile constituée entièrement d'hydrogène et d'hélium, les éléments primordiaux de l'univers primitif. On pourra en avoir une confirmation ou une infirmation avec la prochaine observation spectroscopique qu'offrira le télescope JWST, puisque du temps d'observation a d'ores et déjà été obtenu par l'équipe de Brian Welch. Les données du JWST permettront de déterminer avec précision le type spectral, la température et la masse de l'étoile, qui sont encore assez incertains. Ils pourront ainsi positionner Earendel sur le diagramme H-R (diagramme couleur-luminosité), le diagramme qui classe les étoiles.

Source

A highly magnified star at redshift 6.2
Brian Welch et al.
Nature volume 603 (30 march 2022)

Illustration

Image de Earendel (insert, indiquée par la flèche) (NASA, ESA, B. Welch (JHU), D. Coe (STScI), A. Pagan (STScI))

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