Après avoir étudié la composition chimique d’un nuage de gaz datant de seulement 850 millions d’années après le Big Bang, des chercheurs de l’Institut Max Planck (Allemagne) estiment que les premières étoiles se sont formées bien plus tôt. EN photo, naissance d'étoiles dans NGC 1333 photographiée par Hubble. © ESA, Hubble, NASA, K. Stapelfeldt

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Les premières étoiles se sont formées très tôt

ActualitéClassé sous :rayonnement fossile , théorie de l'inflation , cosmologie

Comment et quand les premières étoiles de notre univers se sont formées reste encore un mystère. Mais un nuage de gaz extrêmement lointain semble avoir fourni aux astronomes de nouveaux indices. Au moins deux générations d'étoiles s'y seraient déjà succédé il y a 13 milliards d'années.

Les quasars : c'est ainsi que les astronomes appellent les noyaux actifs extrêmement brillants des galaxies lointaines. Et c'est justement en étudiant certains des quasars les plus distants de notre Terre -- et donc les plus anciens connus -- que des chercheurs de l'Institut Max Planck (Allemagne) ont découvert, totalement par hasard, un nuage de gaz qui a finalement retenu toute leur attention.

Les astronomes ont en effet d'abord constaté que le quasar P183+05 présentait un spectre très inhabituel. Par une analyse plus détaillée, ils ont ensuite établi que les étranges caractéristiques spectrales enregistrées signaient en réalité la présence, à proximité immédiate du quasar, d'un nuage de gaz, ce qui en fait de fait, l'un des nuages de gaz les plus lointains -- et donc les plus anciens -- que les chercheurs n'aient jamais identifiés. Il serait situé à quelque 13 milliards d'années-lumière de notre Terre et daterait donc de seulement 850 millions d'années après le Big Bang.

Une aubaine pour les astronomes qui étudient le processus par lequel les premières étoiles se sont formées dans notre univers. Car, lorsqu'un nuage de gaz s'interpose entre notre Terre et un quasar, une partie de la lumière qui nous arrive de ce quasar est sélectivement absorbée en fonction des éléments constituant le nuage de gaz. De quoi remonter à la composition chimique du nuage, à sa température et à sa densité notamment.

Le nuage de gaz étudié par les astronomes de l’Institut Max Planck (Allemagne) est le plus lointain pour lequel des chercheurs ont pu mesurer la composition chimique. Il contient l’une des plus petites quantités d’éléments lourds jamais identifiées dans un nuage de gaz. Mais les abondances des éléments chimiques rappellent celles des systèmes plus actuels. © Institut Max Planck

Toujours pas de trace des premières étoiles

Rappelons que dans notre univers, les éléments chimiques plus lourds que l'hydrogène jouent un rôle important dans le processus de formation des étoiles. Ils participent activement à l'effondrement des nuages de gaz qui leur donne naissance. Mais ces éléments lourds -- le carbone, par exemple -- sont produits par les étoiles elles-mêmes et disséminés dans l'espace par des explosions de supernova. Ainsi, les premières étoiles n'ont-elles pas pu en bénéficier. Car après le Big Bang, il n'existait que des atomes d'hydrogène et d'hélium. Et pendant un temps, les chercheurs ont pensé trouver dans leur nuage de gaz, la signature des hypothétiques étoiles de population III, les toutes premières étoiles de l'univers, constituées exclusivement d'éléments légers.

Mais le nuage de gaz étudié par les chercheurs de l'Institut Max Planck contient bien des traces d'éléments comme le carbone, l'oxygène, le fer ou le magnésium. Dans des proportions ne dépassant pas 1/800e de fois celles rencontrées dans l'atmosphère de notre Soleil, ce qui semble logique, compte tenu de l'âge estimé du nuage de gaz. Cependant, l'analyse conclut malgré tout à des abondances relatives similaires à celles qui sont observées dans des nuages de gaz intergalactiques bien plus récents.

Nous allons devoir remonter plus loin dans l’histoire de l’univers

Selon les astronomes, seules des explosions de supernova de type 1a peuvent produire de telles abondances. Or, avant de finir en supernova, une étoile a généralement besoin... d'un milliard d'années. « Si nous voulons identifier les signatures des premières étoiles, nous allons devoir explorer plus loin encore dans l'histoire de notre univers. Mais je suis confiant. Nous trouverons des nuages de gaz plus anciens qui nous aideront sans doute à comprendre enfin comment les premières étoiles se sont formées », conclut Eduardo Bañados, astronome à l'Institut Max Planck.

  • Des chercheurs ont découvert un nuage de gaz extrêmement ancien, datant de seulement 850 millions d’années après le Big Bang.
  • L’analyse montre qu’il renferme des éléments lourds dans des abondances semblables à celles de nuages de gaz bien plus récents.
  • Les chercheurs en concluent que les premières étoiles de notre univers se sont formées bien plus tôt.
Pour en savoir plus

Planck précise la date de l'allumage des premières étoiles (MAJ)

Les membres de la collaboration Planck viennent de livrer aux générations futures de cosmologistes et d'astrophysiciens un extraordinaire héritage : le résultat de l'analyse de l'ensemble des données collectées par le satellite de l'ESA entre 2009 et 2013 concernant le rayonnement fossile. Il n'a malheureusement pas été possible de trouver la preuve tant attendue de la théorie de l'inflation mais on en sait maintenant plus sur la nature de la matière noire, la géométrie de notre univers et la date de l'allumage des premières étoiles.

Article de Laurent Sacco paru le 11/09/2016

Le rayonnement fossile cartographié par Planck sur tout le ciel. Les couleurs tracent la température qui témoigne de la répartition de la matière. Les textures matérialisent les lignes de champ créées en chaque point par l'orientation de la polarisation. Elles témoignent des mouvements de cette matière. Le signal polarisé est largement dominé par les ondes de densité (appelées aussi modes scalaires ou modes E). La carte est lissée sur 5 degrés ou 20 arc-minutes. © ESA, collaboration Planck

On a des difficultés pour établir à quel moment dans l'histoire de l'univers observable les étoiles ont commencé à s'allumer et surtout à réioniser la matière baryonique qui était devenue neutre après la naissance des atomes, 380.000 ans après le Big Bang. En 2015, les membres de la collaboration Planck avaient fourni une nouvelle estimation de la date à laquelle la moitié de cette matière avait été ionisée en étudiant une première carte de la polarisation du rayonnement fossile. Elle avait été dressée grâce aux données collectées par l'instrument Low-Frequency Instrument (LFI). La date obtenue était de 550 millions d'années.

Une nouvelle publication disponible sur arXiv et utilisant les mesures de l'instrument High-Frequency Instrument (HFI) pour la polarisation du CMB fournit maintenant la date de 700 millions d'années après le Big Bang.

En bonus, ces mesures indiquent que la réionisation aurait bien été causée essentiellement par les premières étoiles et pas par le rayonnement des premiers trous noirs massifs accrétant de la matière qui n'auraient eu qu'une influence négligeable.

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Article initial paru le 06/02/2015

En avril 2013, l'ESA avait rendu publics les premiers résultats portant sur la cosmologie issus des analyses des données collectées par les deux instruments de Planck, LFI (Low Frequency Instrument) et HFI (High Frequency Instrument). Ceux-ci étaient chargés d'observer le rayonnement fossile, en radio pour le premier et dans les domaines submillimétrique et infrarouge lointain pour le second. La nouvelle image de l'univers observable qui en avait émergé provenait de deux couvertures complètes de la voûte céleste.

Les membres de la collaboration Planck savaient qu'ils pouvaient obtenir une image encore plus précise et complète de notre cosmos car, en réalité, cinq couvertures du ciel avec HFI et huit avec LFI avaient été obtenues. On pouvait donc s'attendre à de nouvelles révélations concernant par exemple la courbure et la topologie de notre univers et la nature de son contenu en matière et en énergie noire.

Mais la principale préoccupation des cosmologistes, des astrophysiciens et des physiciens théoriciens de hautes énergies était sans doute les résultats des analyses portant sur la polarisation du rayonnement fossile. Comme l'explique la vidéo ci-dessous, la connaissance précise de cette polarisation, qui peut être décomposée en deux parties désignées sous les termes de modes E et de modes B, nous permet, en théorie, de déterminer à quel moment les premières étoiles se sont allumées dans l'univers, c'est-à-dire le début de la période de la réionisation, encore appelée celle de la Renaissance cosmique, qui a mis fin aux âges sombres

Depuis la publication des premiers résultats des analyses des observations de Planck en 2013, les travaux se sont poursuivis. Cette vidéo nous explique de quelle nature pouvaient être les nouvelles découvertes découlant de ces travaux, en particulier ceux effectués pour préciser la mesure de la polarisation du rayonnement fossile et qui concernent la date de la réionisation et la théorie de l'inflation. © HFI Planck, YouTube

Plus précisément cela nous permet de savoir quand le rayonnement des premiers astres formés à partir de la matière neutre laissée par le Big Bang a commencé à sérieusement ioniser à nouveau les atomes d'hydrogène et d'hélium qui s'étaient formés 380.000 ans après le Big Bang au moment de l'émission du rayonnement fossile (la période dite de la recombinaison). La découverte, et la mesure des modes B en particulier, a le potentiel de nous révéler si une phase d'inflation primordiale s'est bel et bien produite environ 10-35

La réionisation et l'inflation selon Planck

L'excitation est donc devenue grande quand, le 17 mars 2014, les membres de la collaboration Bicep2 ont fait savoir qu'ils avaient probablement grillé au poteau leurs confrères de Planck en observant des modes B apparemment spécifiques à une phase d'inflation. Mais il fallait une confirmation supplémentaire, en l'occurrence la publication des analyses complètes des observations collectées par Planck. Elles étaient attendues pour la fin de l'année 2014.

Mis en ligne ces derniers jours, le travail conjoint des membres de Planck, Bicep2 et de ceux d'une autre expérience (Keck Array) n'a pas permis de valider les conclusions avancées en mars 2014. Le signal observé était en fait produit par les poussières de la Voie lactée dont on avait sous-estimé la contribution à la polarisation du rayonnement fossile.

Restait en suspens la question de l'estimation de la date de l'allumage des premières étoiles. On attendait également des estimations plus précises des paramètres cosmologiques, constituant en quelque sorte la carte d'identité de notre univers. D'autres interrogations demeuraient, comme celles liées aux contraintes éventuelles à imposer aux modèles d'inflation, sans oublier les informations sur les caractéristiques des galaxies et des amas de galaxies.

L'ESA vient finalement de mettre en ligne ce 5 janvier 2015 la majorité des résultats finaux concernant les analyses des observations complètes de Planck. Le CNRS a publié un communiqué portant sur les principaux résultats obtenus et le site Planck HFI a également mis en ligne plusieurs pages sur le sujet.

Les spécialistes pensent maintenant que la réionisation de l'univers sous l'effet du rayonnement des premiers astres a commencé environ 550 millions d'années après le Big Bang et pas 450 millions d'années comme l'indiquaient les précédentes estimations. L'information est précieuse parce qu'elle indique qu'il suffit de faire intervenir l'allumage des premières étoiles, et qu'il n'est pas nécessaire de l'accompagner de la présence d'autres sources de rayonnement exotiques, pour provoquer cette réionisation.

En effet, des observations faites de l'univers lointain, par exemple avec le télescope Hubble ou le VLT, conduisaient à penser que la formation des galaxies avaient débuté environ 300 à 400 millions d'années après le Big Bang, ce qui laissait trop peu de temps à la formation des premières étoiles pour vraiment réioniser significativement l'univers.

Le satellite Planck vient de livrer sa toute dernière carte de l'univers. Elle montre le rayonnement fossile, la plus ancienne lumière du cosmos, mais avec cette fois une nouvelle donnée : la polarisation de ces rayonnements. © CNRS, Dailymotion

Le contenu, la géométrie et la topologie de l'univers selon Planck

L'âge du cosmos observable a été précisé, sa valeur est maintenant estimée à 13,77 milliards d'années avec une constante de Hubble qui vaut H0=67,8 +/-0,9 km s-1 Mpc-1.

Il est composé à 4,9 % de matière baryonique dont une partie importante ne se trouve pas sous forme d'étoiles.

Selon les estimations, son contenu en matière noire constitue 25,9 % de la masse de l'univers observable. On ne sait toujours pas de quoi est constituée cette matière noire (à l'exception d'une très faible fraction qui est sous forme de trois familles de neutrinos dont la somme des trois masses individuelles est inférieure à 23 eV). Des contraintes ont cependant été établies sur les propriétés de ces particules comme l'ont annoncé les membres de la collaboration Planck l'année dernière.

L'énergie noire reste la composante dominante de l'univers observable aujourd'hui : elle constitue à 69,2 % la masse contenu dans son volume (rappelons que le paramètre décrivant le contenu en énergie noire d'un modèle de cosmologie relativiste standard se note ΩΛ et celui décrivant la matière noire et baryonique Ωm. Leur somme est égal à 1 dans un univers exactement plat).

En combinant les données de Planck avec celle fournies par les observations des supernovae SN Ia, il n'a pas été possible de mettre en évidence un comportement de cette énergie noire différent de celui qu'on attendrait d'une vraie constante cosmologique fournie par exemple par l'énergie du point zéro des champs quantiques. On ne peut donc pas y voir la trace d'une nouvelle physique, comme celle des champs scalaires émergeant de la supergravité ou de la théorie des cordes. Espérons que les observations que permettront Euclid et le LSST seront moins décevantes à cet égard.

En combinant les mesures de Planck avec les observations des oscillations acoustiques des baryons (BAO) on obtient maintenant une extraordinaire limite sur le paramètre décrivant la courbure totale de l'univers observable (Ωk=1-ΩmΛ). Il ne diffère de la valeur nulle que de 0,005 au maximum. Cela signifie que nous pourrions être dans un univers ayant la forme d'un hypertore et donc avec une géométrie spatiale plate. Les données de Planck n'ont toutefois pas permis de mettre en évidence cette topologie particulière, pas plus que d'autres.

Une nouvelle physique qui se cache mais une cosmologie affermie

En résumé, les observations de Planck sont parfaitement compatibles avec un univers décrit par le modèle cosmologique standard et il n'existe aucun signe d'une nouvelle physique, comme par exemple une quatrième famille de neutrinos, des défauts topologiques, à l'exception de la présence de la matière noire et de l'énergie noire.

Il n'en reste pas moins que toutes les informations fournies par Planck ne se limitent pas qu'à l'estimation des paramètres cosmologiques fondamentaux puisqu'elles concernent aussi l'astrophysique de la Voie lactée et des amas de galaxies. Elles constituent donc un héritage important et un affermissement conséquent de la base sur laquelle cosmologistes et astrophysiciens vont continuer à explorer et comprendre l'évolution de la matière cosmique depuis le Big Bang.

La quête des modes B de l'inflation va aussi se poursuivre avec d'autres instruments. Grâce à ses données, la collaboration Planck va d'ailleurs bientôt mettre en ligne un article portant sur les nouvelles contraintes des modèles d'inflation.

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