On a des raisons de penser que les premières étoiles de l’univers observable étaient très massives et qu’elles ont explosé en donnant supernovae et trous noirs. Ces supernovae devaient être plus puissantes qu’on ne le croyait jusqu’à maintenant et elles devaient s’accompagner de puissants jets de matière injectant des noyaux lourds dans le milieu interstellaire.

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Il existe encore de nombreuses incertitudes sur ce qu'il s'est passé au moment où les premières étoiles ont commencé à briller dans le cosmos observable, mettant fin aux Âges Sombres avec le début de la Renaissance cosmique. Il est certain que ces premières étoilesétoiles n'ont pas pu se former exactement comme celles que l'on observe depuis moins de 13 milliards d'années. De nos jours, si l'on peut dire, l'effondrementeffondrement gravitationnel des nuagesnuages moléculaires est rendu possible par la présence de poussières et de moléculesmolécules contenant du carbonecarbone et de l'oxygèneoxygène qui agissent comme des radiateurs pour dissiper la chaleurchaleur dégagée par cet effondrement, empêchant la pressionpression causée par l'énergie thermiqueénergie thermique de mettre fin au processus conduisant à la formation des étoiles.

Mais, quand l'universunivers est sorti du Big BangBig Bang au bout de quelques minutes de nucléosynthèsenucléosynthèse primordiale, aucun noyau plus lourd que le lithiumlithium, et donc a fortiori d'oxygène et de carbone, n'avait été généré. Nécessairement, la formation stellaire devait être différente, faisant intervenir très probablement l'hydrogènehydrogène moléculaire et peut-être aussi de la matière noirematière noire, comme le pensent les astrophysiciensastrophysiciens explorant le concept d'étoiles noires.

 Toujours est-il que l'on est alors amené à penser que ces premières étoiles devaient être très massives, peut-être de plusieurs de fois la massemasse du SoleilSoleil et qu'elles ont donc brûlé leur carburant nucléaire très rapidement comme nous l'enseigne la théorie de l'évolutionthéorie de l'évolution stellaire. Elles auraient donc explosé très violemment sous forme de supernovae, ne laissant derrière elles que des trous noirstrous noirs probablement très massifs. Les éléments lourds synthétisés dans ces étoiles se seraient retrouvés dans le milieu interstellaire où ils auraient permis la naissance d'une seconde génération d'étoiles qui, elles-mêmes etc... faisant donc évoluer chimiquement les galaxiesgalaxies jusqu'au Système solaireSystème solaire.

 Une simulation montre à quoi pourraient ressembler les premières supernovae : au lieu d'être sphériques, comme de nombreux scientifiques l'ont supposé, ces brillantes explosions auraient pu être accompagnées de jets asymétriques projetant des éléments lourds tels que le zinc (points verts) dans l'univers primitif. Cette simulation montre la forme de la supernova 50 secondes après l'explosion initiale. © Mélanie Gonick
Une simulation montre à quoi pourraient ressembler les premières supernovae : au lieu d'être sphériques, comme de nombreux scientifiques l'ont supposé, ces brillantes explosions auraient pu être accompagnées de jets asymétriques projetant des éléments lourds tels que le zinc (points verts) dans l'univers primitif. Cette simulation montre la forme de la supernova 50 secondes après l'explosion initiale. © Mélanie Gonick

Des supernovae à l'origine de la réionisation ?

Un groupe d'astronomesastronomes du MIT vient peut-être d'apporter des précisions supplémentaires sur la nature des premières étoiles comme les chercheurs l'expliquent dans un article en accès libre sur arXiv et publié aujourd'hui dans Astrophysical Journal.

Tout est parti de nouvelles observations menées en 2016 avec l'instrument Cosmic Origins Spectrograph équipant le télescope Hubbletélescope Hubble. La cible était l'étoile HE 1327-2326, située à environ 5.000 années-lumièreannées-lumière dans la Voie lactéeVoie lactée. Elle fut découverte en 2005 dans la constellation de l'Hydre femelleconstellation de l'Hydre femelle, et son analyse chimique avait révélé dans son atmosphèreatmosphère une abondance en métauxmétaux plus de 200.000 fois inférieure à celle du Soleil. Clairement, il s'agissait d'une étoile très ancienne s'étant formée juste après les toutes premières étoiles. Or, il se trouve, comme l'ont donc découvert les astronomes, qu'elle contient une quantité anormalement élevée de noyaux de zinczinc.

Pour expliquer cette anomalieanomalie, les chercheurs ont fait environ 10.000 simulations numériquessimulations numériques d'explosions de supernovae en faisant varier les paramètres décrivant leurs étoiles génitrices et les explosions elles-mêmes. Il s'est avéré que seules les supernovae les plus puissantes -- et dont les explosions étaient asymétriquesasymétriques avec de puissants jets de matièrematière riche en noyaux lourds ainsi soustraits à l'effondrement gravitationnel qui aurait dû les conduire à se trouver absorbés par un trou noir nouvellement formé -- étaient capables de rendre compte de la quantité de zinc mesurée.

Ce résultat est intéressant à plus d'un titre car, en plus de nous fournir une fenêtrefenêtre sur la physiquephysique des premières étoiles, il laisse penser que les supernovae des premiers temps étaient en mesure de contribuer significativement à la fameuse réionisation de l'univers observable puisque leurs explosions étaient plus importantes, et donc la luminositéluminosité produite, qu'on ne le pensait jusqu'alors.


Les premières explosions d'étoiles étaient bleutées

Article de Laurent SaccoLaurent Sacco publié le 23/07/2016

Les toutes premières étoiles étaient sans doute massives et ont rapidement disparu en explosant en supernovae atypiques selon les critères usuels. Certaines de ces explosions ont été modélisées numériquement, fournissant des critères pour partir bientôt à leur chasse. Leur spectrespectre aurait contenu une composante bleue plus importante que celle des supernovae SN II des étoiles de population I et II.

Pour passer du Big Bang au vivant, l'univers observable a dû passer par une longue évolution chimique qui a commencé avec celle des noyaux. En effet, quelques minutes après la « naissance » du cosmos observable, celui-ci ne contenait que des isotopesisotopes de l'hydrogène, de l'héliumhélium et un peu de lithium. Aucun des atomesatomes de carbone, d'oxygène, d'azoteazote ou encore de calciumcalcium et de ferfer qui sont essentiels pour notre corps n'avait encore été engendré. Il va falloir pour cela l'allumage des premières étoiles, et les réactions de fusionfusion thermonucléaires qui s'y produisent, puis celles des générations suivantes.

Ces générations sont regroupées aujourd'hui dans deux grandes populations d'étoiles dites de type II et I. De la même façon qu'un enfant de deux ans est plus âgé qu'un enfant d'un an, les étoiles dites également de population II sont plus vieilles que celles dites de population I dont fait partie notre Soleil. Les premières contiennent moins de métaux et d'éléments lourds, ce qui dans le jargon des astrophysiciens, signifie tous les noyaux au-delà des isotopes de l'hélium. C'est pour cela que l'on parle d'étoiles à faible métallicitémétallicité dans le cas de la population II.

Les mystérieuses étoiles de population III

Les toutes premières étoiles font logiquement partie de la population IIIpopulation III. Elles n'ont encore jamais été vraiment observées mais elles devaient contenir un peu de noyaux lourds en fin de vie. En effet, on pense qu'elles devaient être très massives, peut-être jusqu'à une centaine de fois la masse du Soleil, et qu'elles ont donc vécu peu de temps avant d'exploser en donnant des supernovae de type II, suite à l'effondrement gravitationnel de leur cœur.

Cette photo de Walter Baade date de 1955. L'astrophysicien est surtout connu pour ses travaux sur les supernovae et les étoiles à neutrons. © <em>Mt. Wilson Observatory</em>
Cette photo de Walter Baade date de 1955. L'astrophysicien est surtout connu pour ses travaux sur les supernovae et les étoiles à neutrons. © Mt. Wilson Observatory

Cette population III, les astronomes d'origine, respectivement, allemande et suisse, Walter Baade et Fritz Zwicky étaient sans doute bien loin d'imaginer son existence quand ils ont compris dans les années 1930 la nature des supernovae et qu'ils ont baptisé de ce nom ces extraordinaires explosions stellaires capables d'être aussi lumineuses que des galaxies peuplées de centaines de milliards d'étoiles. C'est aussi Walter Baade qui fut le premier à découvrir les populations I et II d'étoiles dans la Voie lactée en 1944, en se basant sur la largeur de leurs raies spectralesraies spectrales. Mais il faudra attendre les années 1950 pour y voir des différences d'âges et de compositions chimiques.

Les astrophysiciens du XXIe siècle aimeraient bien en savoir plus en ce qui concerne les étoiles de populations III. Mais comme elles sont anciennes, donc lointaines, elles sont pour nous aujourd'hui très peu lumineuses et surtout, l'expansion de l'univers a du décaler leur spectre vers l'infrarougeinfrarouge proche. Il va donc falloir attendre la mise en orbiteorbite du télescope James Webb à l'horizon 2018, ou celle du LSST, pour faire connaissance avec elles.

Il fallait toutefois résoudre un problème avant cela. À quoi pouvait bien ressembler le spectre d'une étoile de population III, ou plus exactement celui d'une supernova produite par ce type d'étoile ?

Une équipe internationale menée par des chercheurs du  Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU) pense avoir une partie de la réponse comme elle l'explique dans un article déposé sur arXiv.

Une comparaison des courbes de luminosité des supernovae SN II standards, issues d'étoiles riches en éléments lourds (les astrophysiciens les appellent collectivement des métaux même quand ils n'en sont pas), avec certaines de celles que devaient produire les premières étoiles, pauvres en métaux. Les étoiles de première génération font partie de celles dites de population III, celles de seconde génération, à l'origine du Soleil,  font partie des étoiles de population II. Les deux types de supernovae débutent par un pic de luminosité dans le domaine des ultraviolets. © <em>Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU)</em>
Une comparaison des courbes de luminosité des supernovae SN II standards, issues d'étoiles riches en éléments lourds (les astrophysiciens les appellent collectivement des métaux même quand ils n'en sont pas), avec certaines de celles que devaient produire les premières étoiles, pauvres en métaux. Les étoiles de première génération font partie de celles dites de population III, celles de seconde génération, à l'origine du Soleil,  font partie des étoiles de population II. Les deux types de supernovae débutent par un pic de luminosité dans le domaine des ultraviolets. © Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU)

Une courbe de lumière plus faible et un spectre plus riche en bleu

Les astrophysiciens ont effectué des simulations numériques en se basant sur les caractéristiques des étoiles de population III en fin de vie (contenant entre 25 à 100 masses solaires) et donc contenant tout de même un peu d'éléments lourds alors qu'elles en étaient dépourvues au moment de l'allumage des réactions de fusion.

Comme dans le cas des supernovae de type II connues, on obtient une courbe de lumière avec un pic de luminosité puis une baisse lente selon une loi exponentielle. Le débat dure encore quant aux mécanismes de l'explosion d'une SN II. Il y aurait deux composantes dont on ignore l'importance de chacune. Ce qui fait toutefois l'unanimité c'est que l'effondrement du cœur de l'étoile peut mener à une étoile à neutrons, ce qui conduit à l'apparition d'un cœur dur sur lequel rebondit la matière en chute libre et la génération d'un flux de neutrinos important. Le pic de luminosité d'une supernovasupernova se produirait quand l'onde de choc arrive à la surface de l'étoile, aidée par le flux de neutrinosneutrinos.  Une fois le début de l'éjection des couches externes de l'étoile amorcée, on peut constater une sorte de plateau de la luminosité pouvant durer quelques mois avant que celle-ci ne décline.

Dans le cas des étoiles de population III simulées par les chercheurs, le pic et le plateau sont moins lumineux, durent moins longtemps, et le spectre contient une composante plus importante de lumière bleuelumière bleue. C'est au moins cette dernière caractéristique qui devrait être prise comme critère pour partir à la chasse aux supernovae associées aux premières étoiles pas trop massives, il y a plus de 13 milliards d'années. Le spectre serait bien sûr, comme on l'a dit précédemment, décalé vers le rouge.