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Dans la galaxie CR7 se nichaient les premières étoiles de l’univers

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Grâce au VLT, des astronomes ont découvert la galaxie de loin la plus lumineuse de l'univers jeune, baptisée CR7. Ils y ont même trouvé des preuves solides de l'existence de la première génération d'étoiles... Ces objets massifs, brillants, encore considérés il y a peu comme purement théoriques sont à l'origine de la création des tout premiers éléments lourds qui entrent dans la composition des étoiles qui nous entourent aujourd'hui, des planètes et de la vie telle que nous la connaissons.

Illustration de CR7 (Cosmos Redshift 7), une galaxie très lumineuse de l’univers jeune qui vient d’être découverte avec le VLT. Elle est trois fois plus brillante que la galaxie lointaine la plus lumineuse connue à ce jour. Des preuves solides attestent de l’existence en son sein de plusieurs étoiles de première génération. © Eso, M. Kornmesser

Les astronomes ont longtemps supposé l'existence d'une première génération d'étoiles baptisée étoiles de Population III (les étoiles riches en éléments plus lourds et situées dans le disque de la Voie lactée comme, par exemple le Soleil, sont de Population I ; les étoiles plus âgées contenant une plus faible proportion d'éléments lourds et situées dans le bulbe et le halo de notre galaxie sont classées dans la Population II). Ces premières étoiles de Population III sont issues de la matière originelle créée lors du Big Bang. Rappelons que l'ensemble des éléments chimiques plus lourds tels l'oxygène, l'azote, le carbone et le fer, tous essentiels à la vie, ont été créés à l'intérieur des étoiles. Cela signifie que les premières étoiles ont dû se constituer à partir des seuls éléments antérieurs aux étoiles : l'hydrogène, l'hélium et, dans une moindre mesure, le lithium.

Ces étoiles de Population III devaient être gigantesques : des centaines, voire des milliers de fois plus massives que le Soleil — brûlantes et transitoires — et explosant en supernovae après seulement deux millions d'années (en comparaison l'espérance de vie du Soleil est supérieure à 9 milliards d'années). Mais, jusque-là, aucune réelle preuve matérielle n'était venue étayer l'hypothèse de leur existence, notamment en raison de leur présence très courte durant une période nommée âge sombre.

La galaxie la plus lumineuse jamais observée dans l’univers jeune

Une équipe menée par David Sobral, de l'institut d'astrophysique et des sciences spatiales, de l'université de Lisbonne, au Portugal, et de l'observatoire de Leiden, aux Pays-Bas, a utilisé le VLT (Very Large Telescope) pour sonder l'univers jeune et remonter à l'époque de la réionisation, soit à quelque 800 millions d'années après le Big Bang. Plutôt que d'étudier une infime portion du ciel profond, ils ont étendu leur champ d'observation et produit le sondage galactique profond le plus vaste jamais réalisé.

Cette grande étude a été effectuée avec l'aide des télescopes W.M. Keck, Subaru et Hubble. L'équipe a découvert et confirmé l'existence d'un certain nombre de très jeunes galaxies étonnamment brillantes. L'une d'elles, baptisée CR7 (Cosmos Redshift 7), constitue un objet extrêmement rare : de loin la galaxie la plus lumineuse jamais observée à ce stade de l'univers. CR7 est en effet trois fois plus brillante qu'Himiko, l'ancienne tenante du titre, dont on pensait qu'elle était unique en son genre pour cette période. La seule découverte de CR7 et d'autres galaxies brillantes couronnait déjà l'étude de succès. Une analyse plus approfondie est venue compléter ce flot d'excellentes nouvelles.

Illustration de la formation des premières étoiles à l’époque de l’âge sombre. © Nasa, WMAP Science Team

Un nid d’étoiles de première génération

Les instruments X-shooter et Sinfoni (Spectrograph for INtegral Field Observations in the Near Infrared) qui équipent le VLT ont détecté une forte émission d'hélium ionisé à l'intérieur de CR7 mais, curieusement et fort heureusement, aucun signe de la présence d'éléments plus lourds au sein d'une portion lumineuse de la galaxie. Ainsi donc, l'équipe venait de dénicher le premier véritable indice de l'existence d'amas d'étoiles de Population III, responsables de l'ionisation du gaz contenu à l'intérieur d'une galaxie de l'univers jeune.

« Cette découverte a surpassé toutes nos attentes initiales, s'enthousiasme Davis Sobral. Nous ne nous attendions effectivement pas à détecter une galaxie aussi brillante. Puis, après avoir analysé CR7 sous toutes les coutures, nous avons compris que non seulement nous avions trouvé la galaxie lointaine la plus lumineuse qui soit, mais également qu'elle présentait toutes les caractéristiques attendues d'une galaxie peuplée d'étoiles de Population III. Ces étoiles ont créé les tout premiers atomes lourds dont nous sommes aujourd'hui constitués. Quelle autre découverte plus excitante que celle-ci ? »

Des étoiles pas si difficiles à détecter

Au sein de CR7, des amas d'étoiles de couleur plus bleue, parfois plus rouge, ont été détectés, suggérant que les étoiles de Population III sont apparues par vagues successives, comme cela avait été prédit. L'équipe a pu directement observer la toute dernière vague d'étoiles de Population III. Ainsi donc, ces étoiles seraient plus faciles à détecter qu'on ne le pensait auparavant : elles résident parmi les étoiles ordinaires, au sein de galaxies brillantes, pas seulement au cœur des premières galaxies, de tailles réduites et de luminosité plus faibles, si faibles que leur étude s'avère extrêmement compliquée.

Jorryt Matthee, second auteur de l'étude, conclut ainsi : « Je me suis toujours interrogé sur nos origines. Enfant déjà, je cherchais à connaître la provenance de divers éléments : le calcium contenu dans mes os, le carbone dans mes muscles, le fer dans mon sang. J'ai découvert qu'ils furent pour la première fois créés au tout début de l'univers, par la première génération d'étoiles. Cette découverte nous permet d'observer ces objets pour la toute première fois ».

Des observations complémentaires au moyen du VLT, d'Alma et du télescope spatial Hubble seront prochainement effectuées, afin de lever toute incertitude concernant l'appartenance des étoiles observées à la Population III et aussi d'en rechercher et identifier d'autres.

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