L'univers lointain pourrait être jonché d'étoiles supermassives dont la masse est comprise entre 1 000 et 10 000 fois la masse du soleil, ce qui pourrait résoudre un mystère cosmique sur l'origine des trous noirs extrêmement grands.
Vue d'artiste d'un champ d'étoiles de Population III 100 millions d'années après le big bang
Le télescope spatial James Webb (JWST) permet pour la première fois aux astronomes d’examiner des galaxies lointaines situées aux confins de l’univers primitif. Certaines d’entre elles ont des signatures chimiques qui semblent indiquer des étoiles supermassives exotiques dont la masse est jusqu’à 10 000 fois supérieure à celle du soleil.
Ces géants sont bizarres car pour les étoiles de l’univers proche, il semble y avoir une limite innée de taille. « Tous nos modèles d'évolution des galaxies… reposent sur le fait que les étoiles ne peuvent pas avoir une masse supérieure à 120 masses solaires », explique Devesh Nandal du Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics dans le Massachusetts. « Il y a bien sûr eu des idées théoriques qui explorent des étoiles… plus massives que cela, mais il n'y a jamais eu d'observation réelle à laquelle on puisse se référer. »
Autrement dit, jusqu'à maintenant. Nandal et ses collègues ont examiné les observations JWST d'une galaxie lointaine appelée GS 3073 et ont découvert des quantités inhabituellement élevées d'azote dans ses signatures chimiques. Ce n’est pas totalement anormal : des niveaux élevés d’azote ont été observés dans plusieurs autres galaxies à des distances similaires.
Cependant, pour la plupart des autres galaxies, les niveaux d'azote ne sont pas assez élevés pour prêter à confusion : certains types d'étoiles relativement normales et d'autres événements cosmiques peuvent les expliquer. Ce n'est pas le cas du GS 3073, dit Nandal. Il contient tout simplement beaucoup trop d'azote.
Il existe un type particulier d’étoile primordiale supposée, appelée étoile de population III, qui, selon les modèles, pourrait devenir extrêmement grande. Lorsque ces étoiles le font, les simulations montrent également qu’elles devraient produire beaucoup plus d’azote que les étoiles ordinaires. Nandal et ses collègues ont calculé que seules quelques étoiles de population III avec des masses comprises entre 1 000 et 10 000 fois celles du soleil pourraient expliquer l'excès d'azote dans GS 3073. « Notre travail montre la preuve la plus solide à ce jour de l'existence d'étoiles supermassives de population III dans l'univers primitif », dit-il.
Cependant, d’autres chercheurs se demandent si les étoiles supermassives de la population III sont les seules adaptées aux données – ou si elles correspondent tout à fait correctement. « La population III doit être associée à un environnement quasi vierge » dépourvu de nombreux éléments plus lourds que l'hélium, explique Roberto Maiolino de l'Université de Cambridge. « Au contraire, GS 3073 est chimiquement une galaxie assez mature. Elle ne semble donc pas correspondre au type d'environnement dans lequel on s'attend à trouver la Population III. »
Il se peut cependant qu'il s'agisse simplement d'une galaxie étrange, explique John Regan de l'Université de Maynooth en Irlande. « Quand nous avons des observations de l'univers primitif, tout ce que nous voyons, ce sont des galaxies vraiment étranges, vraiment exotiques. Il est donc difficile de se retourner et de dire oui, mais je ne m'attends pas à ce que des étoiles supermassives se forment parce que ce serait trop bizarre. Eh bien, vous venez de dire que celles-ci sont vraiment bizarres », dit-il.
Si ces étoiles colossales existent réellement, cela pourrait aider les chercheurs à comprendre les origines des trous noirs supermassifs, qui existent bien plus tôt qu’ils ne le devraient dans l’univers. S’ils se formaient à partir d’étoiles supermassives plutôt que d’étoiles normales, cela leur donnerait une longueur d’avance, ce qui pourrait expliquer comment ils ont atteint les tailles énormes que nous voyons en un laps de temps relativement court.
Il sera difficile de confirmer que GS 3073 et d’autres galaxies riches en azote de l’univers primitif contiennent réellement des étoiles supermassives, ce qui nécessitera probablement la découverte de davantage de signatures chimiques de ces étranges géantes. « Renforcer l'argument en faveur de leur existence est extrêmement difficile – il est très difficile pour nous d'avoir une signature irréfutable », déclare Regan. « Mais cette signature est très forte. »
