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La masse des premières étoiles est revue à la baisse

On a d’abord pensé qu’elles étaient au moins mille fois plus massives que le Soleil puis cent fois... Mais les masses des premières étoiles n’étaient probablement que de quelques dizaines de fois celle de notre étoile hôte si l’on en croit de récentes simulations. Cela expliquerait pourquoi les supernovae à instabilité de paires étaient rares au début de l’histoire de l’univers observable.

Dans un cube de plusieurs dizaines de milliers d'unités astronomiques (UA) les astrophysiciens ont simulé sur ordinateurs des processus hydrodynamiques complexes couplés à des transferts de rayonnement pour reproduire la naissance des premières étoiles. On voit ici deux cônes montrant des régions à hautes températures en rouge, émergeant du disque froid (couleur bleue) entourant la jeune étoile en formation. Ces régions chaudes, en atteignant 50.000 K, stoppent l'accrétion de matière et inhibent donc une croissance de l'étoile au-delà de 43 masses solaires. © Nasa/JPL-Caltech/Kyoto Univ. Dans un cube de plusieurs dizaines de milliers d'unités astronomiques (UA) les astrophysiciens ont simulé sur ordinateurs des processus hydrodynamiques complexes couplés à des transferts de rayonnement pour reproduire la naissance des premières étoiles. On voit ici deux cônes montrant des régions à hautes températures en rouge, émergeant du disque froid (couleur bleue) entourant la jeune étoile en formation. Ces régions chaudes, en atteignant 50.000 K, stoppent l'accrétion de matière et inhibent donc une croissance de l'étoile au-delà de 43 masses solaires. © Nasa/JPL-Caltech/Kyoto Univ.

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L’étude du rayonnement fossile nous a appris que la première génération d’étoiles ne s’était probablement pas formée avant quelques centaines de millions d’années suivant la naissance de l’univers observable. Ces premières étoiles sont assez problématiques car, de nos jours, c’est par l’intermédiaire des éléments lourds comme le carbone, l’oxygène et le silicium que les étoiles naissent. Or ces mêmes éléments lourds proviennent de la nucléosynthèse stellaire dans des étoiles au moins dix fois plus massives que le Soleil.

On sort de ce dilemme de l’œuf et de la poule en faisant intervenir des nuages moléculaires d’hydrogène. On pensait aussi que cela impliquait que seules des étoiles au moins mille fois plus massives que le Soleil pouvaient se former par ce moyen. L’affinement des modèles a fait chuter cette masse à cent fois celle du Soleil.

Un groupe d’astrophysiciens vient cependant de publier dans Science un article exposant leurs travaux sur cet épineux problème, à la frontière de la cosmologie et de l’astrophysique. Selon leurs simulations numériques, les premières étoiles devaient avoir une masse de quelques dizaines de fois celle du Soleil tout au plus. Ils ont ainsi observé sur leur ordinateur la formation d’une étoile de seulement 43 masses solaires.

 

 


Un peu comme les humains, les étoiles naissent, maturent, travaillent et meurent un jour. Ce sont dans d'immenses régions poussiéreuses du cosmos que se condensent les matériaux qui vont donner naissance à une étoile. Mais comment tout cela fonctionne-t-il ? Hubert Reeves et Jean-Pierre Luminet, spécialistes en cosmologie contemporaine, répondent à ces questions. Pour en savoir plus, visitez www.dubigbangauvivant.com. © Groupe ECP/YouTube

Les chercheurs ont découvert que peu de temps après le début de la formation de la protoétoile, elle émet perpendiculairement à son disque d’accrétion un tel flux de rayons ultraviolets que le gaz environnant est chauffé à des dizaines de milliers de degrés. La luminosité de l’étoile en formation dépasse alors celle d’un amas de plusieurs centaines de milliers d’étoiles de type solaire. Le processus d’accrétion du gaz en est stoppé et la masse de l’étoile ne peut plus augmenter.

Une solution à l'énigme de l'étoile de Caffau

Selon les calculs, entre le moment où la protoétoile commence à se former et celui où des réactions thermonucléaires s’enclenchent, il ne s’écoule qu’une centaine de millions d’années et ensuite quelques millions d’années avant que la nouvelle étoile n’explose à la façon d’une supernova SN II classique.

C’est un résultat important car il permet de résoudre plusieurs problèmes.

En effet, au-delà d’une centaine de masses solaires, les étoiles pourraient exploser en formant des Pair Instability Supernovae (PISNe), c'est-à-dire des étoiles où la température interne est si élevée qu’elles peuvent être déstabilisées par la création de paires de particule-antiparticule. Or ce type de supernovae, s’il avait été très fréquent au début du processus de formation des étoiles dans l’univers observable, aurait laissé des traces dans les abondances des éléments dans les vieilles étoiles des halos des galaxies. Ces traces manquaient à l’appel. On peut donc penser maintenant qu’elles n’y sont tout simplement pas.

Le corolaire intéressant de ce résultat, comme l’indiquent les astrophysiciens dans leur article, c’est que les abondances trouvées dans l'étoile de Caffau cessent d’être énigmatiques.


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