Des astronomes dirigés par Eduardo Bañados de l'Institut Max Planck d'astronomie ont découvert un nuage de gaz contenant des informations sur une phase précoce de la formation des galaxies et des étoiles, à peine 850 millions d'années après le Big Bang. Le nuage a été trouvé par hasard lors d'observations d'un quasar lointain, et il possède les propriétés que les astronomes attendent des précurseurs des galaxies naines modernes. En ce qui concerne les abondances relatives, la chimie du nuage est étonnamment moderne, montrant que les premières étoiles de l'univers ont dû se former très rapidement après le Big Bang. Les résultats ont été publiés dans le Journal d'astrophysique .

Quand les astronomes regardent des objets lointains, ils regardent nécessairement en arrière. Le nuage de gaz découvert par Bañados et al. est si lointain que sa lumière a mis près de 13 milliards d'années pour nous parvenir; inversement, la lumière qui nous parvient maintenant nous dit à quoi ressemblait le nuage de gaz il y a près de 13 milliards d'années, pas plus de 850 millions d'années après le Big Bang. Pour les astronomes, c'est une époque extrêmement intéressante. Dans les premiers centaines de millions d'années après le Big Bang, les premières étoiles et galaxies se sont formées, mais les détails de cette évolution complexe sont encore largement inconnus.

Ce nuage de gaz très lointain était une découverte fortuite. Bañados, puis à la Carnegie Institution for Science, et ses collègues suivaient plusieurs quasars à partir d'une enquête sur 15 des quasars les plus éloignés connus (z³6,5), qui avait été préparé par Chiara Mazzucchelli dans le cadre de son doctorat. recherche à l'Institut Max Planck d'astronomie. En premier, les chercheurs viennent de constater que le quasar P183+05 avait un spectre assez inhabituel. Mais lorsque Bañados a analysé un spectre plus détaillé, obtenu avec les télescopes Magellan de l'observatoire de Las Campanas au Chili, il a reconnu qu'il se passait autre chose :les caractéristiques spectrales étranges étaient les traces d'un nuage de gaz très proche du quasar lointain - l'un des nuages ​​de gaz les plus éloignés que les astronomes aient encore pu identifier.

Éclairé par un quasar lointain

Les quasars sont les noyaux actifs extrêmement brillants des galaxies lointaines. La force motrice derrière leur luminosité est le trou noir supermassif central de la galaxie. La matière tourbillonnant autour de ce trou noir (avant d'y tomber) chauffe jusqu'à des températures atteignant des centaines de milliers de degrés, dégageant d'énormes quantités de rayonnement. Cela permet aux astronomes d'utiliser des quasars comme sources de fond pour détecter l'hydrogène et d'autres éléments chimiques en absorption :si un nuage de gaz se trouve directement entre l'observateur et un quasar distant, une partie de la lumière du quasar sera absorbée.

Les astronomes peuvent détecter cette absorption en étudiant le spectre du quasar, C'est, la décomposition en arc-en-ciel de la lumière du quasar en différentes régions de longueur d'onde. Le schéma d'absorption contient des informations sur la composition chimique du nuage de gaz, Température, densité et même sur la distance du nuage de nous (et du quasar). Derrière cela, il y a le fait que chaque élément chimique a une "empreinte digitale" de raies spectrales - une région de longueurs d'onde étroites dans laquelle les atomes de cet élément peuvent émettre ou absorber particulièrement bien la lumière. La présence d'une empreinte caractéristique révèle la présence et l'abondance d'un élément chimique spécifique.

Pas tout à fait le nuage qu'ils cherchaient

Du spectre du nuage de gaz, les chercheurs pouvaient immédiatement dire la distance du nuage, et qu'ils regardaient en arrière dans le premier milliard d'années de l'histoire cosmique. Ils ont également trouvé des traces de plusieurs éléments chimiques dont le carbone, oxygène, fer à repasser, et magnésium. Cependant, la quantité de ces éléments était infime, environ 1/800 fois l'abondance dans l'atmosphère de notre soleil. Les astronomes appellent sommairement tous les éléments plus lourds que l'hélium « métaux » ; cette mesure fait du nuage de gaz l'un des systèmes les plus pauvres en métaux (et distants) connus dans l'univers. Michael Rauch de la Carnegie Institution of Science, qui est co-auteur de la nouvelle étude, dit :"Après avoir été convaincus que nous examinions un tel gaz vierge seulement 850 millions d'années après le Big Bang, nous avons commencé à nous demander si ce système pouvait encore conserver les signatures chimiques produites par la toute première génération d'étoiles."

Retrouver ces premières générations, les étoiles dites de "population III" sont l'un des objectifs les plus importants de la reconstruction de l'histoire de l'univers. Dans l'univers postérieur, les éléments chimiques plus lourds que l'hydrogène jouent un rôle important en laissant les nuages ​​de gaz s'effondrer pour former des étoiles. Mais ces éléments chimiques, notamment le carbone, sont eux-mêmes produits dans les étoiles, et projeté dans l'espace lors d'explosions de supernova. Pour les premières étoiles, ces facilitateurs chimiques n'auraient tout simplement pas été là, car juste après la phase du Big Bang, il n'y avait que des atomes d'hydrogène et d'hélium. C'est ce qui rend les premières étoiles fondamentalement différentes de toutes les étoiles ultérieures.

L'analyse a montré que la composition chimique du nuage n'était pas chimiquement primitive, mais au lieu de cela, les abondances relatives étaient étonnamment similaires aux abondances chimiques observées dans les nuages ​​​​de gaz intergalactiques d'aujourd'hui. Les rapports des abondances des éléments plus lourds étaient très proches des rapports de l'univers moderne. Le fait que ce nuage de gaz dans le tout premier univers contienne déjà des métaux avec des abondances chimiques relatives modernes pose des défis clés pour la formation de la première génération d'étoiles.

Tant d'étoiles, si peu de temps

Cette étude implique que la formation des premières étoiles de ce système a dû commencer bien plus tôt :les rendements chimiques attendus des premières étoiles avaient déjà été effacés par les explosions d'au moins une génération d'étoiles supplémentaire. Une contrainte temporelle particulière vient des supernovae de type Ia, explosions cosmiques qui seraient nécessaires pour produire des métaux avec les abondances relatives observées. De telles supernovae ont généralement besoin d'environ 1 milliard d'années pour se produire, ce qui met une contrainte sérieuse sur tous les scénarios de formation des premières étoiles.

Maintenant que les astronomes ont trouvé ce nuage très précoce, ils recherchent systématiquement des exemples supplémentaires. Eduardo Bañados déclare :« C'est passionnant que nous puissions mesurer la métallicité et les abondances chimiques si tôt dans l'histoire de l'univers, mais si nous voulons identifier les signatures des premières étoiles, nous devons sonder encore plus tôt dans l'histoire cosmique. Je suis optimiste que nous trouverons des nuages ​​de gaz encore plus éloignés, ce qui pourrait nous aider à comprendre comment les premières étoiles sont nées."

Les résultats décrits ici ont été publiés dans Bañados et al., "Un système Lyα amorti pauvre en métal à un décalage vers le rouge de 6,4, " dans le Journal d'astrophysique .