Plusieurs centaines de millions d'années après le Big Bang, les toutes premières étoiles ont éclaté dans l'univers sous la forme d'accumulations massivement brillantes d'hydrogène et d'hélium. Au cœur de ces premières étoiles, extrême, les réactions thermonucléaires ont forgé les premiers éléments plus lourds, dont le carbone, fer à repasser, et zinc.

Ces premières étoiles étaient probablement immenses, boules de feu de courte durée, et les scientifiques ont supposé qu'ils ont explosé en tant que supernovae sphériques similaires.

Mais maintenant, les astronomes du MIT et d'ailleurs ont découvert que ces premières étoiles pourraient s'être effondrées de manière plus puissante, mode asymétrique, crachant des jets suffisamment violents pour éjecter des éléments lourds dans les galaxies voisines. Ces éléments ont finalement servi de graines à la deuxième génération d'étoiles, dont certains peuvent encore être observés aujourd'hui.

Dans un article publié aujourd'hui dans le Journal d'astrophysique , les chercheurs rapportent une forte abondance de zinc dans HE 1327-2326, un ancien, étoile survivante qui fait partie de la deuxième génération d'étoiles de l'univers. Ils pensent que l'étoile n'a pu acquérir une si grande quantité de zinc qu'après qu'une explosion asymétrique de l'une des toutes premières étoiles ait enrichi son nuage de gaz de naissance.

"Quand une étoile explose, une partie de cette étoile est aspirée dans un trou noir comme un aspirateur, " dit Anna Frebel, professeur agrégé de physique au MIT et membre du Kavli Institute for Astrophysics and Space Research du MIT. "Seulement quand vous avez une sorte de mécanisme, comme un jet qui peut arracher de la matière, pouvez-vous observer ce matériau plus tard dans une étoile de nouvelle génération. Et nous pensons que c'est exactement ce qui aurait pu se passer ici."

"C'est la première preuve observationnelle qu'une telle supernova asymétrique a eu lieu dans l'univers primitif, " ajoute la postdoctorante du MIT Rana Ezzeddine, l'auteur principal de l'étude. "Cela change notre compréhension de la façon dont les premières étoiles ont explosé."

"Une pincée d'éléments"

HE 1327-2326 a été découvert par Frebel en 2005. A l'époque, l'étoile était l'étoile la plus pauvre en métal jamais observée, ce qui signifie qu'il avait des concentrations extrêmement faibles d'éléments plus lourds que l'hydrogène et l'hélium - une indication qu'il faisait partie de la deuxième génération d'étoiles, à une époque où la majeure partie du contenu en éléments lourds de l'univers n'avait pas encore été forgée.

"Les premières étoiles étaient si massives qu'elles ont dû exploser presque immédiatement, " dit Frebel. " Les étoiles plus petites qui se sont formées en tant que deuxième génération sont encore disponibles aujourd'hui, et ils préservent le matériel ancien laissé par ces premières étoiles. Notre étoile a juste une pincée d'éléments plus lourds que l'hydrogène et l'hélium, nous savons donc qu'il doit s'être formé dans le cadre de la deuxième génération d'étoiles."

En mai 2016, l'équipe a pu observer l'étoile qui orbite près de la Terre, seulement 5, à 000 années-lumière. Les chercheurs ont gagné du temps sur le télescope spatial Hubble de la NASA pendant deux semaines, et enregistré la lumière des étoiles sur plusieurs orbites. Ils ont utilisé un instrument à bord du télescope, le Spectrographe des Origines Cosmiques, pour mesurer les abondances infimes de divers éléments dans l'étoile.

Le spectrographe est conçu avec une grande précision pour capter la lumière ultraviolette faible. Certaines de ces longueurs d'onde sont absorbées par certains éléments, comme le zinc. Les chercheurs ont dressé une liste d'éléments lourds qu'ils soupçonnaient de se trouver dans une étoile aussi ancienne, qu'ils prévoyaient de rechercher dans les données UV, y compris le silicium, fer à repasser, phosphoreux, et zinc.

"Je me souviens avoir obtenu les données, et voyant cette ligne de zinc sortir, et nous ne pouvions pas le croire, nous avons donc refait l'analyse encore et encore, " se souvient Ezzeddine. " Nous avons trouvé que, peu importe comment nous l'avons mesuré, nous avons obtenu cette très forte abondance de zinc."

Une chaîne étoilée s'ouvre

Frebel et Ezzeddine ont alors contacté leurs collaborateurs au Japon, qui se spécialisent dans le développement de simulations de supernovae et des étoiles secondaires qui se forment à leur suite. Les chercheurs ont couru plus de 10, 000 simulations de supernovae, chacun avec des énergies d'explosion différentes, configurations, et d'autres paramètres. Ils ont découvert que si la plupart des simulations de supernova sphérique étaient capables de produire une étoile secondaire avec les compositions élémentaires observées par les chercheurs dans HE 1327-2326, aucun d'eux n'a reproduit le signal du zinc.

Comme il s'avère, la seule simulation qui pourrait expliquer le maquillage de la star, y compris sa grande abondance de zinc, était l'un des asphériques, supernova à jet d'une première étoile. Une telle supernova aurait été extrêmement explosive, avec une puissance équivalente à environ un million de fois (c'est 10 avec 30 zéros après) celle d'une bombe à hydrogène.

"Nous avons découvert que cette première supernova était beaucoup plus énergétique que les gens ne le pensaient auparavant, environ cinq à dix fois plus, " dit Ezzeddine. " En fait, l'idée précédente de l'existence d'une supernova plus faible pour expliquer les étoiles de deuxième génération pourrait bientôt devoir être retirée."

Les résultats de l'équipe peuvent modifier la compréhension des scientifiques de la réionisation, une période charnière au cours de laquelle le gaz dans l'univers s'est transformé d'être complètement neutre, à ionisé - un état qui a permis aux galaxies de prendre forme.

"Les gens pensaient d'après les premières observations que les premières étoiles n'étaient pas si brillantes ou énergiques, et alors quand ils ont explosé, ils ne participeraient pas beaucoup à la réionisation de l'univers, ", dit Frebel. "Nous sommes en quelque sorte en train de rectifier cette image et de montrer, peut-être que les premières étoiles ont eu assez de punch quand elles ont explosé, et peut-être qu'ils sont maintenant de sérieux prétendants pour contribuer à la réionisation, et pour avoir fait des ravages dans leurs propres petites galaxies naines."

Ces premières supernovae auraient également pu être suffisamment puissantes pour projeter des éléments lourds dans des "galaxies vierges" voisines qui n'avaient pas encore formé d'étoiles propres.

"Une fois que vous avez des éléments lourds dans un gaz d'hydrogène et d'hélium, vous avez beaucoup plus de facilité à former des étoiles, surtout les petits, " dit Frebel. " L'hypothèse de travail est, peut-être des étoiles de deuxième génération de ce genre se sont formées dans ces systèmes vierges pollués, et pas dans le même système que l'explosion de la supernova elle-même, ce qui est toujours ce que nous avions supposé, sans penser autrement. Cela ouvre donc un nouveau canal pour la formation précoce des étoiles."

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.