Une image extraite d'une simulation de la formation des premières étoiles et galaxies au moment de l'Aube cosmique. © Dr Harley Katz, Beecroft Fellow, Department of Physics, University of Oxford
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Aube cosmique : quand les premières étoiles se sont allumées

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[EN VIDÉO] Pourquoi dit-on que nous sommes faits de poussières d’étoiles ?  Cette vidéo de l'ESO nous raconte comment les étoiles fabriquent des atomes (ou plutôt des noyaux) par fusion nucléaire. Quand elles vieillissent et commencent à manquer de noyaux légers, elles fusionnent des éléments de plus en plus lourds. Ainsi apparaissent le carbone, l'oxygène, l'azote, le silicium, le soufre, etc. Quand elle finit par exploser, elle ensemence l'espace autour d'elle en éléments lourds qui, peut-être, seront absorbés dans des planètes se formant autour d'une étoile en train de naître. Ainsi, à part l'hydrogène (formé plus tôt), la matière qui nous constitue a un jour été engendrée au cœur d'une étoile disparue depuis longtemps. 

Dans le cadre du modèle cosmologique standard, on sait que les premières étoiles se sont formées quelques centaines de millions d'années après le Big Bang. Une nouvelle détermination de la date et de la durée de cette Aube cosmique vient d'être obtenue par les astrophysiciens grâce notamment à Hubble.

Il y a environ 2.500 ans, le philosophe grec Anaxagore, représentant de l'école ionienne qui comportait des penseurs et des savants aussi illustres que Thalès et Anaximandre, qui eut Périclès et Euripide pour élèves, déclarait « le but de la vie est l'investigation du Soleil, de la Lune et des cieux ». La majorité des astronomes et astrophysiciens sont encore sans doute d'accord avec lui et on peut se demander quelle aurait été sa réaction devant les succès de la science moderne et par exemple aujourd'hui avec un article publié dans Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, et que l'on peut trouver aussi en accès libre sur arXiv.

En combinant des observations obtenues avec le télescope spatial Hubble, le défunt Spitzer et au sol le réseau de radiotélescopes de l'Atacama Large Millimetre Array (Alma) et quelques autres instruments de la noosphère, une équipe internationale d'astronomes menée par le Français Nicolas Laporte du Cambridge's Institute of Astronomy et le Britannique Richard Ellis (University College London) vient de préciser la période de l'histoire du cosmos observable marquant la fin des âges sombres.

Appelée parfois Renaissance cosmique et le plus souvent maintenant Aube cosmique (Cosmic Dawn, en anglais), il ne s'agit rien de moins que du début de l'allumage des premières étoiles dans les premières galaxies naissantes sous l'influence de l'effondrement gravitationnel de la matière noire dans le cadre du modèle cosmologique standard.

Plusieurs estimations en avaient déjà été avancées et il semblait clair que cela n'avait pu se produire que quelques centaines de millions d'années après la fin du Big Bang, une fois l'Univers observable devenu transparent suite à l'émission du rayonnement fossile, lorsque les atomes et les molécules neutres sont apparus. Avant, le cosmos était largement plongé dans l'obscurité, enfin pour des yeux d'Homo sapiens s'ils avaient été présents car du rayonnement existait bel et bien.

Image en couleur de l'amas de galaxies utilisé pour détecter et étudier par effet de lentille gravitationnelle l'une des six plus vieilles galaxies connues, MACS0416-JD. Cette galaxie a un âge estimé à 351 millions d'années, ce qui signifie que sa formation a débuté 178 millions d'années après le Big Bang. La masse stellaire de cette galaxie est un milliard de fois la masse du Soleil. Cet objet est actuellement en fait la galaxie la plus éloignée détectée avec Alma. © ESA/Hubble, Nasa, HST Frontier Fields

Le spectre de Balmer, clé de la détermination de l'âge des premières étoiles

Aujourd'hui, on avance donc que l'effondrement de la matière baryonique a conduit à la naissance des premières étoiles entre 250 et 350 millions d'années après la « recombinaison », comme disent les cosmologistes étudiant le rayonnement fossile. L'allumage des premières étoiles, vraisemblablement très massives, a certainement contribué à ce que l'on appelle aussi la réionisation, c'est-à-dire le retour à l'état ionisé d'une partie des atomes.

Comment les chercheurs s'y sont-ils pris pour déterminer cette nouvelle estimation de la période de l'Aube cosmique ? Ils se sont basés sur une particularité du comportement des populations d'atomes d'hydrogène dans les atmosphères des jeunes étoiles massives. Elle est liée au spectre dans le visible de ces atomes, c'est-à-dire avec la fameuse série de raies spectrales dite de Balmer. En l'occurrence, la particularité se nomme en anglais le Balmer break, en référence à une discontinuité dans l'intensité du rayonnement d'une population d'atomes d'hydrogène selon la série de Balmer. Cette discontinuité évolue avec le vieillissement des jeunes étoiles dans le Cosmos primordial, moins d'un milliard d'années avant sa naissance. Cette évolution permet donc de calculer les âges de ces étoiles.

Les astrophysiciens ont pu détecter et mesurer le Balmer break dans six des plus anciennes galaxies connues grâce à Hubble et Spitzer. Les distances et donc les âges de ces galaxies ont été déduits des mesures faites avec Alma, le VLT également de l'ESO et aussi les télescopes jumeaux Keck à Hawaï et le télescope Gemini-South. En mesurant en plus les âges des étoiles dans ces galaxies déjà fort anciennes on peut en déduire quand la formation stellaire a débuté.

Ce succès est très encourageant car il confirme qu'une fois en orbite, le télescope James-Webb devrait bel et bien nous permettre d'observer et d'étudier la naissance des premières étoiles et des premières galaxies.

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