De nouveaux indices sur l'apparition des premières étoiles dans l'Univers

Quand et comment sont apparues les premières étoiles dans l'Univers et comment les galaxies se sont-elles formées ? Les astronomes tentent de répondre à ces questions en observant directement l'enfance de l'Univers. En construisant des télescopes toujours plus gigantesques, ils parviennent à observer des galaxies toujours plus lointaines et donc plus éloignées dans le passé. Une équipe internationale d’astronomes, impliquant des chercheurs de l’Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie (IRAP – CNRS / CNES / UT3 Paul Sabatier) et dirigée par Nicolas Laporte de l’University College London a tiré pleinement profit de la puissance de l’observatoire radio ALMA qui vient d’être achevé au Chili pour étudier la composition chimique et les propriétés d’une des galaxies les plus lointaines. Ces résultats sont publiés dans Astrophysical Journal Letters.

Figure ci-contre : Vue d’artiste de la lointaine galaxie poussiéreuse A2744_YD4

La construction du grand observatoire ALMA à 5000m d'altitude sur un plateau du désert d'Atacama au Chili était en grande partie motivée par l'étude de la formation des premières galaxies. Aujourd'hui, cinq ans après sa mise en service, la détection de poussière et d'oxygène dans une galaxie primordiale confirme l'extraordinaire puissance de cet instrument et ouvre de nouvelles perspectives scientifiques.

Sa lumière ayant mis plus de 13 milliards d'années pour nous parvenir, cette galaxie est observée telle qu’elle était, 600 millions d’années après le Big-Bang, c’est-à-dire quand l’Univers était à 4% de son âge actuel. Les observations en ondes radio avec ALMA, combinées à d'autres observations dans le domaine visible et proche infrarouge avec un autre grand télescope du Chili, le Very Large Telescope (VLT) de l’ESO, ont permis de détecter pour la première fois la présence de poussières d’étoiles dans l’Univers jeune. Ces observations apportent un nouvel éclairage sur la fin de vie des premières étoiles, leurs explosions en supernovæ et l’éjection de matière sous forme de grains de poussière.

La poussière d’étoiles a déjà été détectée dans plusieurs régions de l’espace et se présente sous forme de grains d’un diamètre de l’ordre du millionième de centimètre. Ces grains émettent un rayonnement aux fréquences radio auxquelles ALMA est très sensible. La détection de poussière dans l’Univers jeune permet d’en savoir un peu plus sur le cycle de vie des premières étoiles, en particulier sur l’époque à laquelle la lumière émise par les premières étoiles chaudes emplissait tout l’Univers.

L’équipe d’astronomes a mené un programme de recherche avec ALMA en juillet 2016, ciblé sur un amas de galaxies très massif référencé Abell 2744. Différentes observations, dont la détection d’oxygène avec l’interféromètre ALMA, ont montré l’incroyable distance d’une des galaxies cataloguée A2722_YD4. Les astronomes ont pu estimer qu’elle contenait environ 2 milliards d’étoiles semblables au Soleil, et une quantité de poussière dont la masse équivaut à 6 millions de Soleil. Pour expliquer cette quantité de poussière d’étoiles, les chercheurs évoquent des explosions continues de supernovæ sur une période de près de 200 millions d’années. Les auteurs viennent donc d’ouvrir une nouvelle fenêtre sur l’étude des premières étoiles, et ainsi de se rapprocher du Saint Graal de l’astronomie moderne : l’apparition de la lumière dans l’Univers.

« A2744_YD4 n’est pas seulement l’objet le plus lointain détecté par ALMA »  précise Nicolas Laporte, auteur principal de cette étude, « la détection de poussière d’étoiles dans l’Univers très jeune indique que des supernovæ ont déjà eu lieu dans l’enfance de cette galaxie ».

Frédéric Boone, astronome à l’IRAP, ajoute que « si l'observatoire ALMA a été construit pour capter l'émission de la poussière aux confins de l'Univers, la présence de poussière dans les premières galaxies restait incertaine. Ce résultat nous confirme aujourd'hui qu'ALMA ouvre une nouvelle fenêtre pour sonder les premières galaxies et promet de nouvelles avancées dans ce domaine ».

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Cette image offre une vue spectaculaire du riche amas de galaxies Abell 2744 acquise par le Télescope Spatial Hubble du consortium NASA/ESA. Au-delà de cet amas se situe une galaxie faiblement lumineuse référencée A2744_YD4, qui nous apparaît telle qu’elle était lorsque l’Univers n’était âgé que de 600 millions d’années. De nouvelles observations de cette galaxie, effectuées avec ALMA, en rouge sur cette image, révèlent une forte abondance en poussière. Crédit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), NASA, ESA, ESO and D. Coe (STScI)/J. Merten (Heidelberg/Bologna)

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  • Frédéric Boone, frederic.boone@irap.omp.eu
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