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La masse des premières étoiles de l'Univers remise en question

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La formation des premières étoiles de l'Univers est une énigme qui fascine les astrophysiciens. Une équipe de chercheurs japonais et américains vient de réaliser une nouvelle simulation numérique qui suggère que les premières étoiles étaient beaucoup moins massives que ce que l'on croyait, peut-être 1% de la masse du Soleil seulement.

La chronologie supposée de l'Univers, de la recombinaison jusqu'à nos jours avec les âges sombres (dark ages). Crédit : Caltech

Dans l'Univers actuel, la présence d'éléments lourds comme le silicium et le carbone, et surtout de poussières constituées à partir d'eux, sont des ingrédients essentiels pour la formation des étoiles. En effet, lorsqu'un nuage de gaz se contracte il s'échauffe. L'énergie thermique ainsi acquise aux dépens de son énergie gravitationnelle va finir pas s'opposer à l'effondrement du nuage pour former, d'abord une proto-étoile, et ensuite une étoile lorsque les réactions thermonucléaires s'enclencheront.

Il faut donc paradoxalement l'existence de mécanismes de refroidissement pour permettre à la température et à la densité de monter suffisamment pour que ces différents stades de l'évolution stellaire puissent se produire. Ce sont justement ces poussières qui en s'échauffant et en rayonnant une partie de l'énergie thermique dans l'infrarouge vont permettre, au final, la formation des étoiles.

Pour quiconque connaît un peu d'astrophysique, notamment la théorie de la nucléosynthèse, il est clair que l'on est confronté au dilemme de l'œuf et de la poule, car les éléments lourds ont été synthétisés dans l'Univers après le Big Bang par les étoiles !

Le problème devient encore plus aigu lorsque l'on sait que les récentes mesures des quantités d'éléments lourds dans l'Univers, seulement un milliard d'années après sa naissance, indiquent qu'il y en avait déjà beaucoup, plus que prévu initialement. Il faut donc non seulement trouver un mécanisme de formation des premières étoiles en l'absence de poussières mais aussi que ce dernier produise rapidement des étoiles massives pour synthétiser très tôt dans l'histoire de l'Univers des éléments lourds. Rappelons que dans les premières centaines de millions d'années de l'histoire du cosmos, il n'y avait que de l'hydrogène et de l'hélium avec des traces infimes de deutérium et de lithium 7.

Les solutions du problème : la matière noire et l'hydrogène moléculaire

Enfin, pas tout à fait, il devait aussi y avoir la mystérieuse matière noire qui est une composante majeure de la matière du cosmos. N'étant justement pas couplée au champ électromagnétique, elle a pu amorcer sa concentration en grandes structures malgré la pression de radiation qui existait alors dans l'Univers primordial et qui s'opposait à la formation de grumeaux de matière.

On en est donc venu à penser que les premières étoiles avaient dû commencer à naître dans les premiers amas de matière noire puisque ces derniers sont devenus plus denses que la matière normale et ont servi de germes de nucléation pour les galaxies.

Reste le problème de la barrière thermique avec la nécessité de dissiper de la chaleur par le rayonnement.

Il se trouve que de l'hydrogène moléculaire existait en relative grande quantité juste après la formation des premiers atomes, 380.000 ans après le « début » de l'Univers observable. Ce gaz peut justement servir d'agent de refroidissement efficace et ce n'est que plus tard, lorsque les premières étoiles et les premiers quasars auront par leur rayonnement énergétique provoqué la réionisation partielle de l'Univers, que le taux d'hydrogène moléculaire aura baissé.

Les simulations numériques précédentes prenant en compte la matière noire, l'hydrogène moléculaire et le spectre des fluctuations de densité de l'Univers après la recombinaison et l'émission du rayonnement fossile, avaient conduit à la formation d'étoiles dépassant la centaine de masses solaires et que l'on avait appelées des étoiles de population III.

Naoki Yoshida et ses collègues ont réalisé une nouvelle simulation plus précise que les précédentes et ils viennent de publier les résultats de cette dernière dans Science. Ils trouvent un premier stade de proto-étoiles apparues très tôt dans l'histoire de l'Univers, et là encore dans des amas de matière noire, mais avec des masses de l'ordre de 1% seulement de la masse du Soleil. Ces dernières sont alors à l'origine de la formation des étoiles massives qui synthétiseront rapidement les éléments lourds, comme le fer, détectés autour des premiers quasars. Bien que faiblement massives, elles ont en effet servi de germes de nucléation pour l'apparition des étoiles massives selon cette simulation.

Il reste encore du travail pour comprendre vraiment comment sont apparues les premières étoiles mais surtout, tant que des données observationnelles de ce qui s'est passé pendant les âges sombres ne seront pas là, tout ce travail ne restera que des spéculations théoriques et numériques.

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