L'amas de galaxies Abell 2744 se trouve à une distance d'environ 3,5 milliards d'années-lumière et contient plus de 400 galaxies membres. La gravité combinée de toutes les galaxies fait que l'amas agit comme une lentille pour amplifier la lumière des étoiles au-delà de l'inclusion, l'équipe espère, les premières étoiles à se former dans l'univers. Crédit :NASA/ESA/Arizona State University (R. Windhorst et F. Timmes)
Environ 200 à 400 millions d'années après la création de l'univers par le Big Bang, les premières étoiles ont commencé à apparaître. Ordinairement, les étoiles situées à une si grande distance dans l'espace et le temps seraient hors de portée même pour le nouveau télescope spatial James Webb de la NASA, dont le lancement est prévu en 2020.
Cependant, des astronomes de l'Arizona State University dirigent une équipe de scientifiques qui proposent qu'avec un bon timing et un peu de chance, le télescope spatial Webb pourra capter la lumière des premières étoiles à naître dans l'univers.
"La recherche des premières étoiles a longtemps été un objectif de l'astronomie, " a déclaré Rogier Windhorst, Professeur d'astrophysique des Regents à l'École d'exploration de la Terre et de l'espace de l'ASU. "Ils nous parleront des propriétés réelles du tout premier univers, des choses que nous n'avons modélisées que sur nos ordinateurs jusqu'à présent."
collaborateur de Windhorst, Frank Timmes, professeur d'astrophysique à l'École d'exploration de la Terre et de l'espace, ajoute, "Nous voulons répondre à des questions sur l'univers primitif telles que, les étoiles binaires étaient-elles communes ou la plupart des étoiles étaient-elles uniques ? Combien d'éléments chimiques lourds ont été produits, concocté par les toutes premières étoiles, et comment ces premières étoiles se sont-elles réellement formées ?
Duho Kim, un étudiant diplômé de l'École d'exploration de la Terre et de l'espace de Windhorst, a travaillé sur la modélisation des populations d'étoiles et de la poussière dans les galaxies.
Les autres collaborateurs sur le papier sont J. Stuart B. Wyithe (Université de Melbourne, Australie), Mehmet Alpaslan (Université de New York), Stephen K. Andrews (Université d'Australie occidentale), Daniel Coe (Institut scientifique du télescope spatial), José M. Diego (Instituto de Fisica de Cantabria, Espagne), Mark Dijkstra (Université d'Oslo), et Simon P. Driver et Patrick L. Kelly (tous deux de l'Université de Californie, Berkeley).
Le papier de l'équipe, publié dans le Supplément du Journal d'Astrophysique , décrit comment les observations difficiles peuvent être faites.
Loupe de gravité
La première étape essentielle de la tâche repose sur la sensibilité infrarouge du télescope Webb. Alors que les premières étoiles étaient grandes, lumière ultraviolette lointaine chaude et rayonnée, ils se trouvent si loin que l'expansion de l'univers a déplacé leur pic de rayonnement de l'ultraviolet à des longueurs d'onde infrarouges beaucoup plus longues. Ainsi, leur lumière stellaire tombe dans les détecteurs infrarouges du télescope Webb comme une balle de baseball atterrissant dans le gant d'un joueur de champ.
La deuxième étape essentielle consiste à utiliser la gravité combinée d'un amas de galaxies intermédiaire comme lentille pour focaliser et amplifier la lumière des étoiles de première génération. Les lentilles gravitationnelles typiques peuvent grossir la lumière de 10 à 20 fois, mais cela ne suffit pas pour rendre une étoile de première génération visible au télescope Webb. Pour Webb, la lumière de l'étoile candidate doit être augmentée d'un facteur 10, 000 ou plus.
Pour obtenir un tel grossissement, il faut des « transits caustiques, " des alignements spéciaux où la lumière d'une étoile est considérablement amplifiée pendant quelques semaines alors que l'amas de galaxies dérive dans le ciel entre la Terre et l'étoile.
Les transits caustiques se produisent parce qu'un amas de galaxies agissant comme une lentille ne produit pas une seule image comme une loupe de lecture. L'effet ressemble plus à regarder à travers une feuille de verre grumeleuse, avec des zones nulles et des points chauds. Un caustique est l'endroit où le grossissement est le plus grand, et parce que les galaxies de l'amas lenticulaire s'y sont dispersées, ils produisent de multiples caustiques grossissants qui tracent un motif dans l'espace comme une toile d'araignée.
Jouer les cotes
Quelle est la probabilité d'un tel alignement ? Petit mais pas nul, disent les astronomes, et ils notent que la toile d'araignée de caustiques aide en étendant un filet. De plus chaque caustique est asymétrique, produisant une forte augmentation jusqu'au grossissement maximal si une étoile s'approche d'un côté, mais une montée beaucoup plus lente s'il s'approche de l'autre côté.
"Selon le côté de la caustique d'où il s'approche, une première étoile s'illuminerait pendant des heures ou plusieurs mois, " expliqua Windhorst. " Puis, après avoir atteint un pic de luminosité pendant plusieurs semaines, il s'estomperait à nouveau, soit lentement, soit rapidement, à mesure qu'il s'éloigne de la ligne caustique."
Un attribut clé des premières étoiles est qu'elles se sont formées à partir du mélange d'hydrogène et d'hélium de l'univers primitif sans éléments chimiques plus lourds tels que le carbone, oxygène, fer à repasser, ou d'or. Flambant chaud et brillamment bleu-blanc, les premières étoiles affichent un spectre simple comme une empreinte digitale, tel que calculé par l'équipe de l'ASU à l'aide de l'instrument logiciel ouvert Modules for Experiments in Stellar Astrophysics.
Lorsque les astronomes tracent les étoiles par température et luminosité, les étoiles se situent dans diverses régions du diagramme; la plupart se trouvent le long de la séquence principale. Le soleil, en bas à droite, a une durée de vie d'environ 6,4 milliards d'années (Gyr). La première génération d'étoiles est extrêmement chaude et grandit avant d'exploser en supernova après seulement quelques millions d'années (Myr). Crédit :Université d'État de l'Arizona/F. Timmes
Un autre objet potentiellement visible par le même effet grossissant est un disque d'accrétion autour des premiers trous noirs à se former après le Big Bang. Les trous noirs seraient le résultat évolutif final des premières étoiles les plus massives. Et si de telles étoiles étaient dans un système à deux étoiles (binaire), l'étoile la plus massive, après s'être effondré dans un trou noir, volerait du gaz à son compagnon pour former un disque plat pénétrant dans le trou noir.
Un disque d'accrétion afficherait un spectre différent d'une première étoile lorsqu'il transite un caustique, produisant une luminosité améliorée à des longueurs d'onde plus courtes à partir du chaud, partie la plus interne du disque par rapport aux zones externes plus froides de celui-ci. L'augmentation et la diminution de la luminosité prendraient également plus de temps, bien que cet effet soit probablement plus difficile à détecter.
Les disques d'accrétion devraient être plus nombreux car les premières étoiles solitaires, étant massif et chaud, parcourir leur vie en quelques millions d'années seulement avant d'exploser en supernova. Cependant, La théorie suggère qu'un disque d'accrétion dans un système de trou noir pourrait briller au moins dix fois plus longtemps qu'une première étoile solitaire. Toutes choses égales par ailleurs, cela augmenterait les chances de détecter les disques d'accrétion.
C'est une conjecture éclairée à ce stade, mais l'équipe calcule qu'un programme d'observation qui cible plusieurs amas de galaxies deux ou trois fois par an pendant la durée de vie du télescope Webb pourrait trouver une première étoile ou un disque d'accrétion de trou noir. Les chercheurs ont sélectionné des clusters cibles, y compris les clusters Hubble Frontier Fields et le cluster connu sous le nom de "El Gordo".
"Il faut juste avoir de la chance et observer ces amas assez longtemps, " Windhorst a déclaré. " La communauté astronomique devrait continuer à surveiller ces clusters pendant la durée de vie de Webb. "
Ce diagramme illustre comment les rayons de lumière d'une galaxie ou d'une étoile lointaine peuvent être courbés par la gravité d'un amas de galaxies intermédiaire. Par conséquent, un observateur sur Terre voit l'objet distant apparaître plus brillant qu'il n'en aurait l'air s'il n'avait pas une lentille gravitationnelle. Crédit :NASA, ESA, et A. Feild et F. Summers (STScI)
Au-delà de Webb
Ce qui soulève un point. Alors que le télescope spatial Webb sera une merveille technique, il n'aura pas une longue durée de vie opérationnelle comme le télescope spatial Hubble. Lancé en 1990, le télescope Hubble est en orbite terrestre basse et a été entretenu cinq fois par des astronautes.
Le télescope spatial Webb, cependant, sera placé en un point gravitationnellement stable dans l'espace interplanétaire, 1,5 million de kilomètres (930, 000 milles) de la Terre. Il a été conçu pour fonctionner pendant 5 à 10 ans, qui pourrait avec soin s'étendre sur environ 15 ans. Mais il n'y a aucune disposition pour l'entretien par les astronautes.
Par conséquent, Windhorst note que l'ASU a rejoint la Giant Magellan Telescope Organization. Il s'agit d'un consortium d'universités et d'instituts de recherche qui construira son télescope homonyme au sommet d'une montagne haute et sèche à l'observatoire de Las Campanas au Chili. Le site est idéal pour l'observation infrarouge.
À l'achèvement en 2026, le GMT aura une surface collectrice de lumière de 24,5 mètres (80 pieds) de diamètre, construit à partir de sept miroirs individuels. (Le miroir principal du télescope spatial Webb a 18 sections et un diamètre total de 6,5 mètres, ou 21 pieds.) Les miroirs GMT devraient atteindre un pouvoir de résolution 10 fois supérieur à celui du télescope spatial Hubble dans la région infrarouge du spectre.
Il y aura une période pendant laquelle le télescope Webb et le télescope géant de Magellan seront tous deux opérationnels.
"Nous prévoyons de faire des observations d'étoiles de première génération et d'autres objets avec les deux instruments, " Windhorst a déclaré. "Cela nous permettra d'étalonner les résultats des deux. "
Le chevauchement entre les deux télescopes est important d'une autre manière, il a dit.
« La durée de vie opérationnelle du GMT se poursuivra pendant de nombreuses décennies. Ceci est différent du télescope Webb, qui finira par manquer de carburant pour le propulseur pour maintenir son orbite dans l'espace."
Quand cela arrive, le contact avec le télescope Webb sera perdu et sa mission prendra fin.
dit Windhorst, "D'une façon ou d'une autre, nous sommes confiants de pouvoir détecter les premières étoiles de l'univers."
