Le télescope James-Webb a détecté un indice troublant aux confins de l’Univers… peut-être celui des premières étoiles

C’est un voyage dans le temps vertigineux que nous propose de faire aujourd’hui le télescope spatial James-Webb (JWST). Il nous fait remonter plus de 13 milliards d’années d’histoire pour nous plonger au cœur de la froidement nommée GN-z11, l’une des galaxies les plus brillantes de l’Univers primordial. Parce que c’est là que des astronomes ont repéré un signal inhabituel, il y a maintenant deux ans. Et grâce à la précision inédite de l’instrument de spectroscopie proche infrarouge embarqué à bord du JWST, le NIRSpec-IFU, ils viennent de comprendre d’où il venait : possiblement d’un regroupement des toutes premières étoiles de notre Univers.

Pour partager l’enthousiasme des astronomes, il faut se rappeler que jusqu’ici, ils n’avaient pu envisager les premières étoiles de l’Univers qu’au travers de modèles théoriques. Ils n’avaient aucune observation à se mettre sous la dent. Alors découvrir enfin cette première génération d’étoiles était devenu l’un des objectifs les plus importants de l’astrophysique moderne.

Sur cette image prise par l’instrument NIRCam (caméra proche infrarouge) du télescope spatial James-Webb, en bas à droite, un agrandissement met en évidence la galaxie GN-z11, observée seulement 430 millions d’années après le Big Bang. © Nasa, ESA, CSA, STScI, Brant Robertson (UC Santa Cruz), Ben Johnson (CfA), Sandro Tacchella (Cambridge), Marcia Rieke (Université de l’Arizona), Daniel Eisenstein (CfA)

Quelque 430 millions d’années après le Big Bang

Notre Univers avait à peine plus de 430 millions d’années que la galaxie GN-z11 brillait déjà. C’est le télescope spatial Hubble qui l’avait dévoilé en 2016.

Mais il aura fallu attendre presque 10 ans de plus pour que le JWST en révèle quelques secrets. Un trou noir supermassif central qui absorbe rapidement de la matière, par exemple. Plus intriguant encore, un amas de gaz qui semblait composé de rien d’autre que d’hélium. Exactement le genre de gaz que les modèles des astronomes voient s’effondrer pour former celles qu’ils appellent les étoiles de population III.

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Ces étoiles sont les toutes premières à s’être allumées dans notre Univers. À une époque où il n’existait pas d’autres éléments que l’hydrogène et l’hélium. Les éléments plus lourds, comme le carbone, l’oxygène ou le fer, en effet, se forment justement… au cœur des étoiles. Pas de mystère donc, sur la question de qui des étoiles ou des éléments lourds est arrivé en premier !

Revenons à nos étoiles de population III. Les astronomes les imaginent extrêmement massives et chaudes.

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Susceptibles d’épuiser leur combustible en quelques millions d’années seulement. Un rien, sur l’échelle du temps cosmologique. Formées donc, à partir de nuages ​​d’hydrogène et d’hélium presque purs, elles auraient rapidement explosé en supernova spectaculaire et disséminé ainsi des éléments plus lourds que l’on trouve dès la génération suivante d’étoiles.

Les émissions d’hélium enregistrées par le télescope spatial James-Webb dans la région qui entoure GN-z11, l’une des galaxies les plus brillantes de l’Univers primordial. © Roberto Maiolino et al.

De l’hélium… et de l’hydrogène

Mettre la main sur un nuage de gaz d’hélium quasi pur n’était pas suffisant pour confirmer que les étoiles s’étaient bien allumées là. Pour creuser un peu plus la question, une équipe internationale a donc pointé le NIRSpec-IFU du télescope spatial James-Webb sur cette galaxie lointaine, GN-z11. Les chercheurs, à la tête desquels Roberto Maiolino (Université de Cambridge, Royaume-Uni), ont détecté une faible raie d’émission provenant d’un objet – qu’ils ont baptisé Hebe – situé à moins de 10 000 années-lumière de là. Une raie qui correspond, expliquent-ils, dans leur étude, à la signature de l’hélium doublement ionisé.

Voici donc nos astronomes avec un spectre qui ne montre aucune trace de métaux – comprenez, d’éléments lourds – et qui fait apparaître, en revanche, un hélium doublement ionisé qui ne peut exister que dans un environnement où le rayonnement est d’une énergie extraordinaire. De quoi faire des étoiles de population III la source la plus plausible de la raie observée.

La probabilité augmente encore avec les résultats rapportés par une équipe européenne emmenée par des astrophysiciens de l’Université de Florence (Italie), cette fois. Toujours grâce à l’instrument de spectroscopie proche infrarouge embarqué à bord du JWST, les chercheurs ont détecté une raie d’émission d’hydrogène provenant de Hebe. Et toujours pas d’élément lourd dans les parages.

Des étoiles à l’origine de tout

Notez que ces observations ne constituent pas une preuve directe de l’existence d’étoiles de population III, mais elles représentent bel et bien l’indice « le plus convaincant » obtenu à ce jour. À n’en pas douter, une étape décisive vers la confirmation tant attendue de l’observation de la première génération d’étoiles. Selon les chercheurs, « rien d’autre ne peut expliquer ces résultats », pas même l’introduction dans l’équation d’un trou noir primordial, par exemple.

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L’enthousiasme des astronomes est palpable. Car la formation des premières étoiles et galaxies marque un tournant fondamental dans l’histoire cosmique, au cours duquel l’Univers a évolué d’un état sombre et relativement simple vers l’environnement hautement structuré et complexe que nous observons aujourd’hui. En d’autres mots, les étoiles de population III pourraient avoir joué un rôle d’architecte de tout ce que nous connaissons aujourd’hui, de notre Voie lactée aux éléments qui composent notre corps.

En attendant que la découverte soit confirmée par d’autres observations, les astronomes proposent d’ores et déjà une estimation de la masse qu’auraient les étoiles de population III qu’ils pensent avoir découvertes : entre 10 et 100 fois plus lourdes que notre Soleil. Ce qui concorde tout à fait avec les prédictions des modèles. Une case de plus de cochée…