Les premières étoiles sont apparues plus vite qu'on le pensait après le Big Bang

Laurent Sacco

Quand les premières étoiles se sont-elles allumées mettant fin à ce qui est appelé les âges sombres du cosmos observable ? La question n'a toujours pas de réponse claire mais il semble bien que ce soit plus tôt que ce que l'on pensait d'après des observations faites avec Hubble.

Dans la formulation initiale de la théorie du Big Bang que l'on doit à George Gamow, le cosmos observable commence par un gaz chaud et dense de neutrons. La charge électrique totale de l'Univers est donc nulle et elle doit le rester à cause de la loi de la conservation de la charge qui n'est de plus pas violée, ce qui ne serait pas le cas si l'on supposait une création nette de charge.

Les neutrons vont alors se désintégrer rapidement en donnant des protons et des électrons en nombres égaux, des neutrinos, le tout s'accompagnant d'un bain de photons alors que le cosmos est en expansion. En quelques minutes des réactions nucléaires se produisent qui vont donner des noyaux d'hydrogène et d'hélium avec leurs isotopes ainsi qu'un peu de lithium. Mais ces réactions vont rapidement se stopper là, de sorte qu'aucun noyau de carbone, d'oxygène, d'azote et encore moins de fer n'est présent.

Des centaines de milliers d'années plus tard, la température de ce plasma baisse suffisamment pour que les noyaux capturent des électrons, d'où peut-être le nom de recombinaison donnée à cette période primitive de l'histoire de l'Univers qui voit l'apparition des premiers atomes neutres en quelques milliers d'années et la libération des photons qui vont devenir le fameux rayonnement fossile, la plus vieille lumière du cosmos.

Nous ne croyons plus aujourd'hui que protons et électrons qui composent la matière autour de nous sont nés à partir d'un gaz de neutrons primordial mais pour l'essentiel, le scénario esquissé par Gamow et aussi son collègue et collaborateur Ralph Alpher s'est révélé correct. Environ 400.000 ans après le Big Bang débutent donc ce que l'on appelle les âges sombres car aucune étoile ne brille encore et le rayonnement fossile va se refroidir suffisamment pour être dans le domaine des micro-ondes.

Des masses d'hydrogène et d'hélium vont alors s'effondrer gravitationnellement pour donner les premières étoiles et les premières galaxies. Mais cet effondrement est si rapide que l'on doit faire intervenir une composante de matière noire, un gaz de particule encore inconnue qui domine la matière ordinaire par sa masse et sa gravité, accélérant son effondrement.

Le Big Bang, les premières étoiles et la réionisation avec Hubble. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Hubble, ESA

Des étoiles massives sans éléments lourds qui réionisent le cosmos

C'est le scénario standard de la cosmologie moderne que l'on doit notamment à des pionniers comme le prix Nobel de physique James Peebles. Mais encore actuellement, on ne sait pas vraiment quand les premières étoiles sont apparues même si on peut trouver des indications en étudiant le rayonnement fossile comme l'a fait le satellite Planck. On ne sait pas non plus très bien si ce sont ces étoiles ou les premiers trous noirs massifs au cœur des jeunes galaxies qui sont responsables de ce que l'on appelle la réionisation de l'Univers. En effet, le gaz intergalactique n'est plus neutre depuis des milliards d'années, ce qui veut dire qu'il a été ionisé partiellement par du rayonnement ultraviolet.

Les caractéristiques des premières étoiles ne sont pas très bien comprises non plus. On les appelle des étoiles de population III et elles n'ont encore jamais été observées dans l'Univers profond. On sait qu'elles devaient être très massives et auraient donc dû évoluer rapidement en donnant les premiers éléments lourds. Ces éléments vont permettre une seconde génération d'étoiles, celles observées et dites de type II dans les galaxies, en tout premier lieu dans la Voie lactée. Le Soleil est lui une étoile de type I, car encore plus jeune comme le serait un enfant d'un an par rapport à des enfants de 2 et 3 ans.

Rappelons au passage que l'on a des problèmes pour faire naître des étoiles de type III car celles que l'on observe aujourd'hui nécessitaient des éléments lourds pour naître, éléments lourds qui, comme on l'a dit précédemment, n'existaient pas encore au sortir du Big Bang. Il existe tout de même des scénarios, notamment ceux basés sur l'hydrogène moléculaire (on suspecte aussi un rôle possible de la matière noire).

Une chasse aux premières étoiles grâce aux lentilles gravitationnelles

Toujours est-il qu'astrophysiciens et cosmologistes traquent les étoiles de population III depuis longtemps. Comme elles appartiennent nécessairement à des temps très anciens, elles doivent nous apparaître comme très lointaines et donc très peu lumineuses, ce qui ne facilite pas les choses. Heureusement, comme le montre une publication sur arXiv provenant d'une équipe de chercheurs menée par l'astrophysicienne Rachana Bhatawdekar de l'ESA, la nature s'est montrée « bienveillante » à notre égard.

En effet, MACSJ0416 est un amas galactique qui produit un important effet de lentille gravitationnelle. Il permet donc de sonder le cosmos alors que celui-ci avait des âges compris entre 500 millions et un milliard d'années après le Big Bang. De jeunes galaxies ordinairement invisibles font alors leur apparition. Rachana Bhatawdekar et ses collègues ont pu les étudier avec le télescope Hubble, mais aussi en complément des données provenant de Spitzer et du VLT de l'ESO, révélant ainsi des galaxies 10 à 100 fois plus faibles que celles précédemment observées et telles qu'elles étaient il y a entre 500 millions et un milliard d'années après le Big Bang.

Dans un communiqué de l'ESA concernant le télescope Hubble Rachana Bhatawdekar expose le résultat final de ces études en ces termes : « Nous n'avons trouvé aucune trace des étoiles de la Population III dans cet intervalle de temps cosmique. Ces résultats ont de profondes conséquences astrophysiques car ils montrent que les galaxies doivent s'être formées beaucoup plus tôt que nous ne le pensions. Cela soutient également fortement l'idée que les galaxies de faibles masses dans l'Univers primitif sont responsables de la réionisation ».

On devrait en savoir plus quand le successeur de Hubble, le prochain télescope spatial James-Webb, verra sa première lumière en orbite.

Source: https://www.futura-sciences.com/sciences/actualites/rayonnement-fossile-premieres-etoiles-sont-apparues-plus-vite-quon-pensait-apres-big-bang-57052/?fbclid=IwAR3Oyc9fQxZzgCQyDQe-OD09-Pzh-_G34z4N1GNPd3FEL16mX8r_Zh3ToIw#utm_content=futura&utm_medium=social&utm_source=facebook.com&utm_campaign=futura