Une vue d'artiste des galaxies. © vchalup, Adobe Stock
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Les étoiles des galaxies lointaines sont plus massives que celles de la Voie lactée

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[EN VIDÉO] Les 20 ans de Futura avec Françoise Combes  2021 c'est l'année des 20 ans de Futura ! À cette grande occasion, nous avons demandé à nos parrains de s'exprimer sur le sujet... Françoise Combes s'est notamment prêtée à l'exercice et nous livre son analyse d'astrophysicienne sur le passé, mais aussi sur les 20 prochaines années. 

Une équipe d'astrophysiciens de l'université de Copenhague est parvenue à un résultat important en étudiant les populations d'étoiles dans un grand échantillon des galaxies situées bien au-delà de la Voie lactée. La découverte pourrait changer notre compréhension d'un large éventail de phénomènes astronomiques, comme ceux concernant la formation des trous noirs, des supernovae et la mort des galaxies.

Au début des années 1930, le génial physicien Paul Dirac, l'un des fondateurs de la mécanique quantique, ce qui lui a permis de découvrir théoriquement l'existence de l'antimatière, avait conseillé au tout jeune Subrahmanyan Chandrasekhar de continuer sa formation en allant passer du temps au Danemark à l'Institut Niels-Bohr. Il avait été fondé en 1921 pour le physicien danois Niels Bohr, prix Nobel de physique en 1922 et autre génial père de la révolution quantique avec Planck et Einstein.

Chandrasekhar n'avait que 20 ans quand il a utilisé la fameuse statistique découverte par Enrico Fermi et Paul Dirac pour modéliser le comportement de l'intérieur des étoiles, mobilisant également au passage la théorie de la relativité restreinte. Il découvrit alors qu'il existait une masse limite pour les naines blanches. En 1935, le grand astrophysicien Arthur Eddington s'opposa fortement à l'existence de cette limite, sans se rendre compte vraiment qu'il discréditait potentiellement le jeune docteur en astrophysique par son prestige.

À première vue, une étoile est une boule de gaz, essentiellement de l’hydrogène. Les réactions de fusion nucléaire de l’hydrogène au centre de l’étoile libèrent de l’énergie. Autrement dit, de la chaleur qui rayonne sous forme de lumière rouge, jaune ou bleue... Ainsi, qu'elles soient naines brunes ou rouges, la masse d’une étoile détermine sa luminosité, c’est-à-dire la puissance lumineuse qu’elle rayonne dans toutes les directions. © CEA Recherche

L’histoire à ce sujet est bien connue et malgré le sentiment d'injustice éprouvé par Chandrasekhar, les deux hommes se respecteront mutuellement par la suite et Chandra, comme on l'appelle aussi, écrira même une biographie de son aîné. Il faut dire aussi que Chandrasekhar avait demandé l'avis de Niels Bohr qui, du haut de sa stature de Prix Nobel, lui avait répondu qu'il ne devait pas s'inquiéter et qu'il ne comprenait absolument pas le raisonnement qu'Eddington avait opposé aux calculs de Chandra, que lui et son collaborateur belge, le physicien Léon Rosenfeld, trouvaient parfaitement corrects. Chandrasekhar publiera finalement à la fin des années 1930 un traité qui fait encore autorité sur la structure des étoiles.

Tout cela pour dire qu'il y a une tradition d'excellence en astrophysique associée à l'Institut Niels-Bohr et que l'on ne peut que prendre au sérieux le communiqué récent de cet institut au sujet d'un article publié dans The Astrophysical Journal et que l'on peut consulter également en accès libre sur arXiv.

Les étoiles de 140.000 galaxies sur des milliards d'années-lumière

Il s'agit d'une découverte faite en analysant les populations d'étoiles dans environ 140.000 galaxies dont les observations sont archivées dans la banque de données du Cosmic Evolution Survey (Cosmos), un relevé astronomique conçu pour sonder la formation et l'évolution des galaxies en fonction à la fois du temps cosmique (décalage vers le rouge) et de l'environnement local des galaxies. Le relevé couvre un champ équatorial de 2 degrés carrés avec spectroscopie et imagerie allant du domaine des rayons X à celui des ondes radio grâce à la plupart des principaux télescopes spatiaux et un certain nombre de grands télescopes au sol. Plus de 2 millions de galaxies sont détectées, couvrant 75 % de l'âge de l'Univers.

L’explosion des étoiles très massives en supernovae gravitationnelles enrichit le milieu interstellaire avec les éléments chimiques synthétisés par fusion nucléaire, tout en donnant naissance à une étoile à neutrons ou à un trou noir par effondrement du cœur de l’étoile. La transition entre l’effondrement du cœur et l’expulsion de l’enveloppe stellaire est un défi pour la compréhension théorique des supernovae. Une expérience hydraulique conçue et réalisée au CEA a permis de reproduire par analogie un des phénomènes d’instabilité hydrodynamique qui facilite l’explosion. Cette approche expérimentale est complémentaire des simulations numériques. Découvrez cette expérience en animation. Ce film d’animation a été produit et co-financé par le CEA et l’ERC, et réalisé par le Studio Animéa. Conception scientifique et technique : T. Foglizzo, J. Guilet, G. Durand (CEA). © CEA Recherche

Les galaxies étudiées par les astrophysiciens de l'université de Copenhague et de l'Institut Niels-Bohr sont loin de la Voie lactée, parfois de plusieurs milliards d'années-lumière. Pour la première fois pour des galaxies aussi distantes, il a été possible de dresser des statistiques concernant les populations d'étoiles dans une gamme de masses donnée et surtout de les comparer à celles déterminées dans la Voie lactée depuis des décennies. On sait par exemple que notre Galaxie est largement dominée par les naines rouges.

Techniquement, l'article publié porte sur ce que l'on appelle en astronomie, la fonction initiale de masse (initial mass function ou IMF, en anglais) qui est la relation qui décrit la distribution des masses des étoiles pour une population d'étoiles nouvellement formées et qui a été introduite en astrophysique par Edwin Salpeter en 1955. Pour la mesurer, les chercheurs ont examiné la quantité de lumière émise par les galaxies à différentes longueurs d'onde. Les grandes étoiles massives sont bleuâtres, tandis que les petites étoiles de faible masse sont de couleur plus jaune ou rouge. Cela signifie qu'en comparant la distribution des couleurs bleues et rouges dans une galaxie, on peut déterminer la distribution des grandes et petites étoiles.

Un effet de l'évolution chimique des galaxies ?

Il apparaît maintenant que l'IMF des galaxies lointaines n'est pas la même que celle de la Voie lactée et qu'elles contiennent plus d'étoiles massives, la proportion augmentant avec la distance à notre Galaxie. Cela n'est pas forcément étonnant car la théorie de la structure et de l'évolution des étoiles nous dit que les étoiles très massives qui explosent en supernovae SN II au bout de quelques millions d'années produisent des noyaux plus lourds que l'hydrogène et l'hélium laissés par le Big Bang, noyaux que ces explosions dispersent dans le milieu interstellaire. Or, c'est dans les nuages moléculaires enrichis en ces noyaux lourds que vont se former de nouvelles étoiles. Au cours des milliards d'années, les galaxies vont donc évoluer chimiquement et on sait que la composition en éléments lourds à son tour influence la masse des étoiles qui peuvent se former.

Comme regarder loin c'est regarder tôt en astrophysique, on pouvait donc prévoir que l'IMF des galaxies il y a des milliards d'années ne devait probablement pas être la même que celle mesurée actuellement dans notre Galaxie. Mais nous n'en avions pas encore la preuve faute d'observations de qualité suffisantes.

« La masse des étoiles en dit long aux astronomes. Si vous modifiez la masse, vous modifiez également le nombre de supernovae et de trous noirs qui émergent des étoiles massives. En tant que tel, notre résultat signifie que nous devrons réviser de nombreuses choses que nous avions supposées, parce que les galaxies lointaines semblent très différentes des nôtres », explique dans le communiqué de l'Institut Niels-Bohr Albert Sneppen, doctorant à l'Institut Niels-Bohr et premier auteur de l'étude publiée.

« Nous n'avons pu voir que la pointe d'un iceberg et nous savions depuis longtemps que s'attendre à ce que d'autres galaxies ressemblent à la nôtre n'était pas une hypothèse particulièrement bonne à faire. Cependant, personne n'avait jamais été en mesure de prouver que les autres galaxies forment des populations d'étoiles différentes. Cette étude nous a permis de faire exactement cela, ce qui pourrait ouvrir la porte à une compréhension plus approfondie de la formation et de l'évolution des galaxies », ajoute Charles Steinhardt, coauteur de l'étude et en poste au Cosmic Dawn Center (Dawn).

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