Communiqué de presse

Des astronomes découvrent des nuages de gaz lointains contenant des vestiges des premières étoiles

3 mai 2023

Grâce au Very Large Telescope (VLT) de l'ESO, des chercheurs ont découvert pour la première fois les empreintes laissées par l'explosion des premières étoiles de l'Univers. Ils ont détecté trois nuages de gaz lointains dont la composition chimique correspond à ce que nous attendons des premières explosions stellaires. Ces résultats nous rapprochent de la compréhension de la nature des premières étoiles qui se sont formées après le Big Bang.

"Pour la première fois, nous avons pu identifier les traces chimiques des explosions des premières étoiles dans des nuages de gaz très lointains", explique Andrea Saccardi, doctorant à l'Observatoire de Paris - PSL, qui a mené cette étude dans le cadre de son mémoire de maîtrise à l'Université de Florence.

Les chercheurs pensent que les premières étoiles qui se sont formées dans l'Univers étaient très différentes de celles que nous voyons aujourd'hui. Lorsqu'elles sont apparues il y a 13,5 milliards d'années, elles ne contenaient que de l'hydrogène et de l'hélium, les éléments chimiques les plus simples de la nature [1]. Ces étoiles, dont on pense qu'elles étaient des dizaines ou des centaines de fois plus massives que notre Soleil, sont rapidement mortes dans de puissantes explosions appelées supernovae, enrichissant pour la première fois le gaz environnant d'éléments plus lourds. Les générations suivantes d'étoiles sont nées de ce gaz enrichi et ont éjecté des éléments plus lourds en mourant à leur tour. Mais les toutes premières étoiles ont disparu depuis longtemps. Comment les chercheurs peuvent-ils en savoir plus à leur sujet ? "Les étoiles primordiales peuvent être étudiées indirectement en détectant les éléments chimiques qu'elles ont dispersés dans leur environnement après leur mort", explique Stefania Salvadori, professeur associé à l'université de Florence et coauteur de l'étude publiée aujourd'hui dans l'Astrophysical Journal.

Grâce aux données recueillies par le VLT de l'ESO au Chili, l'équipe a découvert trois nuages de gaz très éloignés, observés lorsque l'Univers n'avait que 10 à 15 % de son âge actuel, et dont l'empreinte chimique correspond à ce que l'on attend des explosions des premières étoiles. En fonction de la masse de ces premières étoiles et de l'énergie de leurs explosions, ces premières supernovae ont libéré différents éléments chimiques tels que le carbone, l'oxygène et le magnésium, qui sont présents dans les couches externes des étoiles. Mais certaines de ces explosions n'étaient pas assez énergiques pour expulser des éléments plus lourds comme le fer, qui ne se trouve que dans le cœur des étoiles. Étant donné que la présence de fer dans les nuages de gaz résultants ne permettrait pas de s'assurer que le matériau est vraiment vierge, l'équipe a recherché uniquement des nuages de gaz lointains pauvres en fer mais riches en autres éléments, vestiges d'explosions de moindre énergie. C'est ce qu'ils ont trouvé : trois nuages lointains de l'Univers primitif contenant très peu de fer mais beaucoup de carbone et d'autres éléments - l'empreinte digitale des explosions des toutes premières étoiles.

Cette composition chimique particulière a également été observée dans de nombreuses vieilles étoiles de notre galaxie, que les chercheurs considèrent comme des étoiles de deuxième génération qui se sont formées directement à partir des "cendres" des premières. Cette nouvelle étude a permis de trouver de telles cendres dans l'Univers primitif, ajoutant ainsi une pièce manquante à ce puzzle. "Notre découverte ouvre de nouvelles perspectives pour étudier indirectement la nature des premières étoiles, complétant ainsi les études sur les étoiles de notre galaxie", explique Stefania Salvadori.

Pour détecter et étudier ces nuages de gaz lointains, l'équipe a utilisé des balises lumineuses appelées quasars, des sources très brillantes alimentées par des trous noirs supermassifs situés au centre de galaxies lointaines. Lorsque la lumière d'un quasar se propage dans l'Univers, elle traverse des nuages de gaz où différents éléments chimiques laissent une empreinte sur la lumière.

Pour trouver ces empreintes chimiques, l'équipe a analysé les données de plusieurs quasars observés avec l'instrument X-shooter du VLT de l'ESO. X-shooter décompose la lumière en une gamme extrêmement large de longueurs d'onde, ou de couleurs, ce qui en fait un instrument unique permettant d'identifier de nombreux éléments chimiques différents dans ces nuages lointains.

Cette étude ouvre de nouvelles perspectives pour la prochaine génération de télescopes et d'instruments, comme le futur Extremely Large Telescope (ELT) de l'ESO et son spectrographe à haute résolution ArmazoNes high Dispersion Echelle Spectrograph (ANDES). "Avec ANDES sur l'ELT, nous serons en mesure d'étudier plus en détail un grand nombre de ces rares nuages de gaz, et nous pourrons enfin découvrir la nature mystérieuse des premières étoiles", conclut Valentina D'Odorico, chercheuse à l'Institut National d'Astrophysique en Italie et co-auteure de l'étude.

Notes

[1] Quelques minutes après le Big Bang, les seuls éléments présents dans l'Univers étaient les trois plus légers : l'hydrogène, l'hélium et de très petites traces de lithium. Les éléments plus lourds se sont formés beaucoup plus tard dans les étoiles.

Plus d'informations

This research was presented in a paper to appear in the Astrophysical Journal (doi: XXXXX)

L'équipe est composée d'Andrea Saccardi (Observatoire de Paris, Université PSL, France; Dipartimento di Fisica e Astronomia, University of Florence, Italie [UFlorence]), Stefania Salvadori (UFlorence; INAF – Osservatorio Astrofisico di Arcetri, Italie), Valentina D’Odorico (Scuola Normale Superiore, Italie; INAF – Osservatorio Astrofisico di Trieste, Italie [INAF Trieste]; IFPU – Institute for Fundamental Physics of the Universe, Italie [IFPU]), Guido Cupani (INAF Trieste; IFPU), Michele Fumagalli (Dipartimento di Fisica G. Occhialini, University of  Milano Bicocca, Italie; INAF Trieste), Trystyn A. M. Berg (Dipartimento di Fisica G. Occhialini, University of  Milano Bicocca, Italie), George D. Becker (Department of Physics & Astronomy, University of California, USA), Sara Ellison (Department of Physics & Astronomy, University of Victoria, Canada), Sebastian Lopez (Departamento de Astronomía, Universidad de Chile, Chili).

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Contacts

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GEPI, Observatoire de Paris, Université PSL, CNRS
Paris, France
Mobile: +39 3408796870
Courriel: andrea.saccardi@observatoiredeparis.psl.eu

Stefania Salvadori
University of Florence
Florence, Italy
Tél: +39 055 2755222
Courriel: stefania.salvadori@unifi.it

Valentina D’Odorico
INAF Osservatorio Astronomico di Trieste
Trieste, Italy
Tél: +39 040 3199217
Courriel: valentina.dodorico@inaf.it

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