Sur les traces des premières étoiles : James Webb dévoile un cliché à couper le souffle du fin fond de l’Univers !

La plus vieille lumière du cosmoscosmos observable a été émise environ 380 000 ans après le Big Bang, au moment où, en quelques milliers d’années, l’Univers a pu permettre la formation des premiers atomes, principalement des isotopes de l’hydrogène, de l’héliumhélium et du lithiumlithium, mais pas encore de carbonecarbone, d’oxygèneoxygène et d’azoteazote.

Ensuite, pendant quelques centaines de millions d’années tout au plus, aucune étoileétoile ne brille encore et aucune galaxiegalaxie non plus, bien que leur formation ait été commencée. Ce sont les fameux âges sombresâges sombres qui vont se terminer lorsque les premières étoiles dites de population IIIpopulation III se sont allumées. Étant donné les conditions physiquesphysiques à ce moment-là et la composition de la matièrematière ordinaire, ces premières étoiles devaient être des géantes bien plus massives que les plus grandes étoiles actuelles dans la Voie lactéeVoie lactée, brûlant rapidement leur carburant nucléaire avant d’exploser en supernovæ, rejetant dans le milieu interstellaire les premiers noyaux lourds au-delà du lithium.

Depuis 13,8 milliards d’années, l’Univers n’a cessé d’évoluer. Contrairement à ce que nous disent nos yeux lorsque l’on contemple le ciel, ce qui le compose est loin d’être statique. Les physiciens disposent des observations à différents âges de l’Univers et réalisent des simulations dans lesquelles ils rejouent sa formation et son évolution. Il semblerait que la matière noire ait joué un grand rôle depuis le début de l’Univers jusqu’à la formation des grandes structures observées aujourd’hui. © CEA Recherche

Les cosmologistes voudraient bien observer ces étoiles de population III.  Il est possible que celles déjà légèrement enrichies en métauxmétaux — ces éléments plus lourds que l’hélium, selon le jargon des astrophysiciensastrophysiciens – soient accessibles aux instruments observant dans l’infrarougeinfrarouge proche du télescope spatial James-Webbtélescope spatial James-Webb, le JWST, notamment si elles se sont formées à partir de nuagesnuages de gazgaz déjà partiellement enrichis par les premières étoiles de population III en fin de vie.

Mais malgré les performances de cet œilœil de la noosphère en orbiteorbite à l’un des points de Lagrangepoints de Lagrange du système Terre-SoleilSoleil, pour espérer observer des objets aussi tôt qu’il y a 250 millions d’années après le Big BangBig Bang, il faut bénéficier d’un petit coup de pouce de la Nature : des lentilles gravitationnelleslentilles gravitationnelles.

Dans le vide, la lumière se déplace habituellement en ligne droite. Mais, dans un espace déformé par un corps céleste massif, comme une galaxie, cette trajectoire est déviée ! Ainsi, une source lumineuse située en arrière d’une galaxie a une position apparente différente de sa position réelle : c’est le phénomène de mirage gravitationnel. En fin de mission, Euclid devrait avoir révélé environ 100 000 lentilles gravitationnelles fortes. Cette vidéo est originaire du webdocumentaire « L’Odyssée de la Lumière » et a été intégrée au webdocumentaire « Embarquez avec la Matière Noire ». © CEA, Animea

Abell S1063, une lentille gravitationnelle pour le James-Webb

Or, justement, comme l’expliquent les astrophysiciens dans un article disponible sur arXiv et qu’accompagnent plusieurs communiqués, à environ 4,5 milliards d’années-lumièreannées-lumière de la Voie lactée, il existe un amas de galaxiesamas de galaxies dont la gravitégravité est si forte que les massesmasses dévient les rayons lumineux comme le ferait une loupe zoomant vers l’infini. Il devient alors possible d’observer des petites galaxies 10 fois moins lumineuses que celles détectées jusqu’à présent, 1 000 fois moins lumineuse que la Voie lactée. 

Les chercheurs ont alors pu débusquer différents objets qui, bien que leurs distances et leurs anciennetés demandent encore des vérifications par des observations relevant de la spectroscopie, laissent penser que l’on voit peut-être des étoiles de population III déjà évoluées dans les premières galaxies.

L’amas utilisé se nomme Abell S1063 et on peut l’observer dans la constellationconstellation de la Grue. Le JWST nous montre alors, après plus de 120 heures d’observations, un ensemble de galaxies avec de nombreux arcs gravitationnels, renouvelant les images et les données déjà collectées avec cet amas au moyen du télescope Hubble, relevant de ce que l’on appelle « un champ profond : une longue exposition d’une seule zone du ciel, collectant un maximum de lumière pour faire ressortir les galaxies les plus faibles et les plus lointaines absentes des images ordinaires », comme l’explique le communiqué de l’ESAESA.

Des étoiles massives sans éléments lourds qui réionisent le cosmos ?

Le cas le plus fascinant est la galaxie nommée GLIMPSE-16043 qui semble donc bel et bien posséder des étoiles de population III (comme pour un enfant, les étoiles de population I sont les plus jeunes) et semble donc être l’une des premières galaxies.

Comme l’explique le communiqué du CNRS, « la galaxie GLIMPSE-16043 présente toutes les caractéristiques attendues pour une telle galaxie : une très faible luminositéluminosité, une faible teneur en oxygène et des signes d’étoiles extrêmement jeunes et chaudes ». Plusieurs biais d’observation possibles ne permettent pas encore aux chercheurs de conclure, comme dans d’autres cas depuis quelques années, mais une campagne d’observations spectroscopiques prévue en juillet 2025 avec le JWST nous en dira sans doute plus.

Elle sera menée toujours dans le cadre du programme GLIMPSE: gravitational lensing & NIRCamNIRCam imaging to probe early galaxy formation and sources of reionization dirigé par Hakim Atek et ses collègues de l’Institut d’astrophysiqueastrophysique de Paris.

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

L’enjeu n’est pas mince, car on sait qu’après l’émissionémission du rayonnement fossilerayonnement fossile et tout au début de l’allumage des premières étoiles, l’Univers n’était pas encore transparenttransparent au rayonnement. Il ne l’est redevenu qu’au bout de plusieurs centaines de millions d’années grâce à de puissantes sources de rayonnement, responsable de la période dite de « réionisationréionisation » du Cosmos observable.

On comprend encore mal cette période qui a joué un rôle important dans l’histoire primitive de l’Univers où la quasi-totalité de l’hydrogène et de l’hélium neutre primordiaux qui emplissaient l’Univers a été ionisée par des objets dont la nature reste encore à déterminer.

S’agissait-il des étoiles de population III ou des premiers trous noirs géants dont l’origine reste elle aussi mystérieuse ?