Les premières étoiles de l’univers seraient 100 000 fois plus massives que le Soleil

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Une visualisation de ce à quoi ressemblait l'univers durant la phase de réionisation, à l’aube des premières étoiles. | Paul Geil & Simon Mutch/Université de Melbourne
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Jusqu’à environ quelques centaines de millions d’années après le Big Bang, l’univers était un endroit très sombre. Il n’y avait ni étoiles ni galaxies. L’émergence des premières étoiles reste un mystère pour les scientifiques. De nouvelles simulations pourraient avoir démontré le mécanisme sous-jacent à la formation d’étoiles supermassives : un jet de matière froid précipitant l’effondrement des premiers amas de matière.

L’univers serait né il y a environ 13,8 milliards d’années, et dans ses premières années, il était très différent d’aujourd’hui. Pendant près de 400 000 ans, l’ensemble du cosmos était opaque, ce qui signifie que nous n’avons aucune observation directe de tout ce qui s’est passé pendant cette période. Même après que l’univers soit devenu transparent, il a fallu encore longtemps avant que les premières étoiles et galaxies ne se forment, nous laissant avec des informations limitées sur cette période.

Les astronomes pensent que les premières étoiles étaient très massives par rapport aux étoiles modernes, et qu’elles ont probablement formé les premiers trous noirs. Mais comme mentionné précédemment, il n’existe aucune observation de la formation des premières étoiles dans l’univers. Les scientifiques se tournent alors vers des simulations informatiques complexes pour tester des modèles de la formation des premières étoiles.

Récemment, une équipe d’astronomes semble avoir réussi à résoudre le mystère de la formation des premières étoiles. Leurs simulations informatiques ont montré que de grands flux de matière dense et froide pouvaient frapper le disque d’accrétion au centre d’amas de gaz géants en formation durant l’âge sombre. Ces amas, faisant jusqu’à 100 000 fois la masse du Soleil, aboutiraient à la naissance des étoiles primitives. Ces résultats théoriques sont publiés sur la plateforme de pré-impression arXiv en attente de l’évaluation par les pairs.

L’âge sombre et la naissance des étoiles

Il faut savoir que lorsque l’univers s’est suffisamment refroidi pour que le gaz des protons et des électrons se « recombine » pour former de l’hydrogène atomique et de l’hélium, la lumière a pu voyager librement pour la première fois. Nous observons aujourd’hui cette lumière sous la forme d’une lueur diffuse dans le ciel. C’est le fond diffus cosmologique, décrivant l’état de l’univers 380 000 ans après le Big Bang. Les astronomes appellent cela « l’âge sombre » de l’univers, car aucune étoile ne s’était encore formée.

Mais de petites ondulations de densité, sous l’influence de la gravité, ont formé les premiers amas de matière, sites des futures galaxies. La croyance actuelle est que les premières galaxies sont apparues quelques centaines de millions d’années après le Big Bang, entraînant un important flux UV qui a réionisé l’hydrogène dans l’univers. Lorsqu’elles ont produit suffisamment de lumière ultraviolette pour réioniser tout l’hydrogène, l’univers est sorti de l’âge sombre.

Des simulations antérieures à la présente étude ont mis en évidence des poches denses dans les premières galaxies qui se refroidissent rapidement en raison de l’émission de rayonnement, mais n’avaient pas la résolution nécessaire pour suivre leur évolution ultérieure. Cette nouvelle étude permet cet approfondissement, en permettant d’observer le comportement de ces poches denses froides qui se forment initialement dans l’univers primitif.

Des étoiles massives à l’aube de l’univers, prémices du cosmos actuel

Les nouvelles simulations réalisées par les chercheurs se différencient des précédentes principalement par le fait qu’elles se focalisent sur un phénomène particulier : l’accrétion à froid. La formation d’étoiles massives nécessite une quantité considérable de matière concentrée en un volume extrêmement réduit. Néanmoins, logiquement, cette disposition induit une augmentation de température. Or, pour qu’une étoile naisse, il est nécessaire que cette accumulation de matière se fasse sans augmentation de température, car un environnement plus chaud empêche l’amas de s’effondrer. Il est donc primordial d’éliminer la chaleur, ce qu’ont démontré les simulations de la présente étude.

En effet, elles ont révélé que de grands flux de matière froide et dense peuvent frapper un disque d’accrétion au centre d’amas géants de matière. Lorsque cela se produit, une onde de choc se forme de l’extérieur vers l’intérieur, déstabilisant rapidement le gaz et déclenchant l’effondrement instantané de ces amas.

Comme le souligne Universe Today, ces derniers peuvent être des dizaines de milliers de fois, voire 100 000 fois, plus massives que le Soleil. N’ayant rien pour arrêter leur effondrement, ils peuvent donc former en théorie des étoiles supermassives.

Compte tenu de leur masse et de leur composition, ces premières étoiles auraient eu des vies extrêmement courtes (moins d’un million d’années) comparées aux étoiles modernes (des milliards d’années) avant d’exploser en supernovas.

Ces explosions auraient transporté les produits des réactions de fusion internes — les éléments plus lourds prémices du cosmos actuel et des éléments indispensables à la vie — enclenchant les cycles suivants de formation d’étoiles. Néanmoins, il est impossible que de tels objets supermassifs puissent à nouveau se former du fait même de la présence d’éléments plus lourds.

Les astronomes ne savent pas encore si des étoiles supermassives se sont formées au début de l’univers. Les futures observations avec le télescope spatial James Webb révéleront certainement des indices sur la formation des premières étoiles et galaxies.

Source : arXiv

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