Comprendre comment l'univers est passé de l'obscurité à la lumière avec la formation des premières étoiles et galaxies est un tournant clé du développement de l'univers, connu sous le nom de l'aube cosmique. Cependant, même avec les télescopes les plus puissants, nous ne pouvons pas observer directement ces premières étoiles, donc déterminer leurs propriétés est l'un des plus grands défis de l'astronomie.
Maintenant, un groupe international d'astronomes dirigé par l'Université de Cambridge a montré que nous serons en mesure de se renseigner sur les masses des premières étoiles en étudiant un signal radio spécifique – créé par des atomes d'hydrogène comblant les lacunes entre les régions de formation d'étoiles – n'oriente que cent millions d'années après le Big Bang.
En étudiant comment les premières étoiles et leurs restes ont affecté ce signal, appelé le signal de 21 centimètres, les chercheurs ont montré que les futurs radiotélescopes nous aideront à comprendre l'univers très précoce, et comment il s'est transformé d'une masse presque homogène d'hydrogène à l'incroyable complexité que nous voyons aujourd'hui. Leurs résultats sont rapportés dans le journal Astronomie naturelle.
« Il s'agit d'une occasion unique d'apprendre comment la première lumière de l'univers a émergé de l'obscurité », a déclaré le co-auteur, le professeur Anastasia Fialkov de l'Institut d'astronomie de Cambridge. « La transition d'un univers froid et sombre à celle remplie d'étoiles est une histoire que nous commençons seulement à comprendre. »
L'étude des étoiles les plus anciennes de l'univers dépend de la faible lueur du signal de 21 centimètres, un signal énergétique subtil il y a plus de 13 milliards d'années. Ce signal, influencé par le rayonnement des premières étoiles et des trous noirs, fournit une fenêtre rare sur l'enfance de l'univers.
Fialkov dirige le groupe théorique de portée (l'expérience radio pour l'analyse de l'hydrogène cosmique). Reach est une antenne radio et est l'un des deux principaux projets qui pourraient nous aider à découvrir l'aube cosmique et l'époque de la réionisation, lorsque les premières étoiles ont réionisé les atomes d'hydrogène neutre dans l'univers.
Bien que Reach, qui capture les signaux radio, soit toujours à sa phase d'étalonnage, il promet de révéler des données sur l'univers précoce. Pendant ce temps, le tableau du kilomètre carré (SKA) – une gamme massive d'antennes en construction – les fluctuations de cartes dans les signaux cosmiques dans de vastes régions du ciel.
Les deux projets sont essentiels pour sonder les masses, les luminosités et la distribution des premières étoiles de l'univers. Dans la présente étude, Fialkov – qui est également membre du SKA – et ses collaborateurs ont développé un modèle qui fait des prédictions pour le signal de 21 centimètres pour la portée et le SKA, et a constaté que le signal est sensible aux masses des premières étoiles.
« Nous sommes le premier groupe à modéliser systématiquement la dépendance du signal de 21 centimètres des masses des premières étoiles, y compris l'impact de la lumière étoilée ultraviolette et des émissions de rayons X à partir de binaires de rayons X produits lorsque les premières étoiles meurent », a déclaré Fialkov, qui est également membre de l'Institut Kavli de Cambridge pour la cosmologie. « Ces idées sont dérivées de simulations qui intègrent les conditions primordiales de l'univers, comme la composition d'hydrogène-hélium produite par le Big Bang. »
En développant leur modèle théorique, les chercheurs ont étudié comment le signal de 21 centimètres réagit à la distribution de masse des premières étoiles, connues sous le nom d'étoiles de la population III. Ils ont constaté que les études précédentes ont sous-estimé ce lien car ils ne tenaient pas compte du nombre et de la luminosité des binaires des rayons X – des systèmes binaires en étoile normale et d'une étoile effondrée – parmi les étoiles de la population III, et comment elles affectent le signal de 21 centimètres.
Contrairement aux télescopes optiques comme le télescope spatial James Webb, qui capture des images vives, la radio astronomie repose sur l'analyse statistique des signaux faibles. Reach et Ska ne pourront pas imaginer des étoiles individuelles, mais fourniront plutôt des informations sur des populations entières d'étoiles, de systèmes binaires à rayons X et de galaxies.
« Il faut un peu d'imagination pour connecter les données radio à l'histoire des premières étoiles, mais les implications sont profondes », a déclaré Fialkov.
« Les prédictions que nous signalons ont d'énormes implications pour notre compréhension de la nature des toutes premières stars de l'univers », a déclaré le co-auteur, le Dr Eloy de Lera Acedo, enquêteur principal du télescope Reach et PI à Cambridge des activités de développement de SKA. « Nous montrons des preuves que nos radiotélescopes peuvent nous dire des détails sur la masse de ces premières étoiles et comment ces premières lumières ont peut-être été très différentes des stars d'aujourd'hui.
« Les radiotélescopes comme Reach promettent de déverrouiller les mystères de l'univers infantile, et ces prédictions sont essentielles pour guider les observations radio que nous faisons du Karoo, en Afrique du Sud. »
Anastasia Fialkov est membre du Magdalene College de Cambridge. Eloy de Lera Acedo est un STFC Ernest Rutherford Fellow et un boursier du Selwyn College de Cambridge.
