Early Star Formation présente un nouveau mystère cosmique

De nouvelles observations suggèrent que les étoiles ont commencé à se former à peine 250 millions d’années après le Big Bang, un record qui ouvrira probablement une nouvelle voie d’investigation cosmologique.

Les astronomes qui reviennent dans le temps suggèrent que les âges sombres cosmiques avant que l’Univers ait accueilli sa mer de lumières scintillantes n’auraient pu durer plus de 250 millions d’années. L'équipe a présenté ses résultats dans la revue Nature aujourd'hui.

Takuya Hashimoto (Université Osaka Sangyo, Japon) et ses collègues ont utilisé le Grand tableau millimétrique / submillimètre Atacama (ALMA) pour scruter une galaxie dont la lumière était émise 550 millions d'années après le big bang, captant ainsi un signal longtemps recherché: l'oxygène. C'est la galaxie la plus lointaine pour laquelle les astronomes ont pu détecter des éléments individuels et cet élément unique a une grande histoire à raconter.

Le groupe de galaxies MACS J1149.5 + 2223 figure dans cette image prise avec le télescope spatial Hubble. L'encart montre la vue d'ALMA sur l'oxygène (vert) dans la galaxie MACS1149-JD1, dont la lumière a voyagé jusqu'à 13, 28 milliards d'années-lumière.
Encadré: ALMA (ESO / NAOJ / NRAO) / Hashimoto et al .; Contexte: Télescope spatial Hubble NASA / ESA / W. Zheng (JHU) / M. Postman (STScI) / Équipe CLASH

Parce que seuls du hydrogène, de l'hélium et un peu de lithium ont émergé du Big Bang, le jeune univers était vierge. Ce n'est que lorsque la première génération d'étoiles a explosé, respirant du carbone, de l'oxygène et d'autres éléments lourds dans le cosmos, que l'inventaire d'éléments de l'univers a augmenté. Ainsi, la détection de l'oxygène 550 millions d'années après le Big Bang suggère qu'une génération d'étoiles s'était déjà formée et est déjà morte.

Hashimoto et ses collègues estiment que la première génération d'étoiles se serait formée 250 millions d'années après le Big Bang, même si les mesures de Planck du fond cosmique à micro-ondes indiquent que la formation d'étoiles n'aurait pas été prédominante à cette époque. Cela dit, les résultats sont conformes aux résultats provisoires de l'expérience EDGES, qui a permis de détecter un signal provenant d'étoiles se formant 180 millions d'années seulement après le Big Bang. Le résultat de EDGES attend toujours la confirmation des autres groupes effectuant des expériences similaires.

Pendant des décennies, des équipes de scientifiques ont couru pour trouver les signatures des premières étoiles - et c'est plus qu'une curiosité cosmique. «Nous sommes de plus en plus optimistes d'assister directement à la naissance de la lumière des étoiles», déclare le coauteur Richard Ellis (University College London) dans un communiqué de presse. «Étant donné que nous sommes tous constitués de matériau stellaire traité, nous trouvons vraiment nos propres origines.»

Un début explosif

De plus, l'équipe a également utilisé les données infrarouges prises avec le télescope spatial Hubble et le télescope spatial Spitzer pour connaître le nombre d'étoiles de la galaxie. Typiquement, les galaxies forment un petit nombre d'étoiles de grande masse et un grand nombre d'étoiles de faible masse. Les étoiles de la grande masse meurent les premières, éclatant en supernovae quelques millions d’années après leur formation. Mais les étoiles de masse la plus basse peuvent survivre pendant des milliards d'années, beaucoup plus longtemps que l'âge de l'univers.

Mais Hashimoto et ses collègues ont constaté que la galaxie contenait encore moins d’étoiles de grande masse que prévu, ce qui signifie que la formation stellaire a commencé fort, a été réduite progressivement, puis a recommencé à former des étoiles. C'est l'inverse des prédictions des simulations de l'univers primitif. Le taux de formation d'étoiles devait augmenter avec le temps à ces premières époques, commençant lentement puis augmentant de façon exponentielle - du moins pour les galaxies à masse élevée telles que celle détectée par l'équipe de Hashimoto.

«Cela peut vouloir dire que nous ne comprenons pas vraiment suffisamment la première génération de galaxies», déclare le co-auteur Erik Zackrisson (Université d'Uppsala, Suède). "Il pourrait y avoir un ingrédient qui manque dans les simulations."

La découverte de cet ingrédient manquant sera l’objectif des travaux futurs, mais Zackrisson a quelques idées. Il se pourrait que la toute première génération d'étoiles ait produit des supernovae bien plus puissantes que ne le supposent les théoriciens. Ou peut-être cette galaxie particulière héberge-t-elle un trou noir supermassif vorace. Les deux déchaîneraient des vents puissants qui éloigneraient les gaz de la galaxie et supprimeraient toute formation d'étoiles.

Rychard Bouwens (Université de Leiden, Pays-Bas), qui n'a pas participé à l'étude, affirme que les conclusions du document sont fiables et incertaines uniquement parce que l'équipe se penche si loin dans l'histoire de l'univers. «C'est toujours comme ça quand on est à la fine pointe», dit-il. «Cela pourrait nous fournir d'importants indices sur ce qui s'est passé très tôt dans l'univers, mais nous ne pouvons pas être sûrs avant d'observer plus d'objets.»

Bouwens et Zackrisson sont enthousiasmés par le lancement en 2020 du télescope spatial James Webb, qui sera en mesure d'imager directement les galaxies à ces débuts. De plus, Webb devrait créer des images pour des centaines, voire des milliers, de ces jeunes galaxies. En tant que tel, Bouwens compare les observations actuelles à la position debout sur un navire entouré d'un épais brouillard. Bien que vous puissiez peut-être voir les contours flous d'un phare avec Hubble ou Spitzer, le télescope spatial James Webb agira comme des rayons de soleil - forçant le brouillard à se dégager et nous permettant de voir clairement le phare, ainsi que la côte rocheuse derrière.

Référence:

T. Hashimoto et al. “L'apparition de la formation d'étoiles 250 millions d'années après le Big Bang.” Nature, 2018 17 mai.