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L’histoire cosmique de la formation des étoiles à partir des photons stellaires ultraviolets

Dossier - Lorsque l'Univers formait des étoiles
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Lorsque nous observons les astres, nous avons l’impression que tout bouge. Mais nous savons bien, depuis Copernic, que ce mouvement est essentiellement dû à la rotation de la Terre sur son axe qui produit un mouvement apparent du Soleil, de la Lune et des étoiles dans le ciel. Un deuxième mouvement, à l’échelle de l’année, est dû à la rotation de la Terre autour de notre étoile le Soleil.

  
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De même, les étoiles n'ont pas toujours été là et l'histoire de la formation des étoiles à l'échelle de l'univers est l'un des sujets qui a le plus animé la communauté astronomique mondiale depuis une quinzaine d'années.

© NASA Hubble & Jason Harwell CCO

Cette histoire cosmique de la formation des étoiles est liée, via la nucléosynthèse au cœur des étoiles à la formation des éléments et finalement à l'apparition de molécules plus complexes qui sont les briques de la vie.

Il a fallu attendre le milieu des années 90 pour que ce thème de recherche prenne une ampleur planétaire. Des travaux réalisés au Télescope Canada-France-Hawaii ont suggéré que la densité de formation d'étoiles observée (en unité de masse d'étoiles formées par an et par unité de volume d'univers) croissait lorsque nous observions un Univers de plus en plus jeune de l'univers local jusqu'à la moitié de la vie de l'univers environ (à un décalage spectral vers le rouge - le redshift - de l'ordre de z = 1). En d'autres termes, cela voulait dire que notre univers créé cinq fois moins d'étoiles aujourd'hui qu'il y a environ 8 milliards d'années (Figure 4).

Figure 4 : L’univers était bien plus actif, il y a 8 milliards d’années. Il se formait à z = 1 environ cinq fois plus d’étoiles par unité de volume qu’aujourd’hui à z = 0
 

Figure 4 : L’univers était bien plus actif, il y a 8 milliards d’années. Il se formait à z = 1 environ cinq fois plus d’étoiles par unité de volume qu’aujourd’hui à  z = 0

Une étape majeure de ces travaux sur l'histoire de la densité de formation stellaire cosmique a été le champ profond du satellite Hubble, le fameux « Hubble Deep Field » (HDF) de la Figure 5.

Figure 5 : le champ profond du télescope spatial Hubble. Dans cette petite zone du ciel soigneusement choisie pour ne pas contenir d’étoiles brillantes (on en voit qui ont une forme … d’étoiles), il a été possible de détecter 1500 galaxies dont certaines se trouvent à plus de 10 milliards d’années-lumière de la Terre.

Le HST a ainsi observé pendant 10 jours consécutifs une petite zone du ciel qui correspond à la taille d'une tête d'épingle tenue à bout de bras. Dans cette minuscule zone du ciel, 1500 galaxies ont été détectées, certaines à plus de 10 milliards d'années-lumière. Pour donner une meilleure idée, cela représente 40000 galaxies sur la surface de la Lune. Grâce à cette base de données unique de galaxies et à des observations complémentaires réalisées par les grands télescopes au sol tels que le « Very Large Telescope » au Chili, il a été proposé que cette croissance de la densité de formation stellaire atteignît un maximum vers un décalage spectral z = 1,5 (c'est-à-dire lorsque l'Univers avait 4 milliards d'années environ) pour ensuite décroître à nouveau (Figure 6).

Figure 6 : l’axe horizontal représente l’âge de l’Univers. Le Big Bang est vers la droite et maintenant est à gauche. L’axe vertical représente la densité d’étoiles formées à un âge d’Univers donné. Après le Big Bang, des étoiles ont commencé à se former et ceci de plus en plus intensément. Puis, un maximum a été atteint et l’activité de formation stellaire a décru. Aujourd’hui, notre Univers forme peu d’étoiles.