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          Avant que les galaxies ne s’assemblent et que la lumière ne circule librement, l’Univers n’était qu’un vaste espace froid, silencieux et opaque, rempli des seuls gaz issus du Big bang. Puis, dans ce décor primordial, quelques astres titanesques ont surgi et ont bouleversé le cours du cosmos : les étoiles de Population III. Entièrement dépourvues de métaux, brèves mais prodigieusement lumineuses, elles ont allumé la première clarté de l’Univers et façonné la matière dont naîtront plus tard les galaxies. Aujourd’hui, grâce au télescope spatial James-Webb, leurs traces commencent enfin à émerger, offrant une fenêtre directe sur les premiers instants du monde.        

        Les étoiles primordiales (que nous avons déjà évoquées dans ce blog, ici et ici) sont les étoiles formées au tout début de l’univers lorsque les forces gravitationnelles firent s’effondrer les structures en place suite au Big bang. Elles incluent les toutes premières étoiles (celles dénuées de tout signe de métaux et que l’on désigne par le terme de Population III) mais également les générations stellaires légérement postérieures, contaminées par les premières explosions d’étoiles géantes et possédant déjà quelques traces – quoique infinitésimales – de métaux. Dit autrement, les étoiles primordiales représentent donc un concept chronologique.

        Les étoiles de Population III qui nous intéressent aujourd’hui recouvrent une catégorie bien particulière d’astres : ceux qui, au tout début de l’univers, étaient  exclusivement composés d’hydrogène et d’hélium donc sans aucune métallicité ( Z = 0) ou teneur en éléments lourds. Ces étoiles étaient à l’évidence massives, évaluées entre 30 et 300 masses solaires avec pour conséquence une durée de vie très courte. On comprend facilement qu’il a été jusqu’à présent impossible de les observer directement mais, et c’est la raison pour laquelle les scientifiques en reparlent aujourd’hui, elles commencent à être détectées par le télescope spatial James Webb (JWST)…

        Le terme primordial désigne donc une époque alors que celui de Population III évoque une  composition chimique.

Au début, un monde froid et sombre

             Au tout début, avant l’apparition des premières étoiles, il n’y avait que du gaz originel dans un espace froid et aveugle et l’absence totale de la moindre métallicité : seulement de l’hydrogène, de l’hélium et quelques traces de lithium. C’est dans cet univers obscur qu’ont surgi les étoiles de Population III, chaudes, massives et d’une luminosité prodigieuse. En effet, en l’absence de métaux comme le carbone, l’oxygène, le silicium, le nuage de gaz où va se créer l’étoile reste brûlant, et étant incapable de  se refroidir, ne peut pas se fragmenter d’où la formation d’une étoile géante : plus de 100 fois la masse du Soleil, une température centrale gigantesque (> 200 millions K) une luminosité colossale, des réactions nucléaires ultra-rapides et donc  une vie très courte (quelques millions d’années tout au plus).

            Ces premières étoiles ont eu un rôle capital pour l’évolution de l’univers en permettant une première nucléosynthèse lourde, enrichissant le milieu interstellaire en fabriquant les premiers métaux qui faisaient défaut jusque là. C’est à partir d’elles qu’ont pu se former les premières galaxies et que l’univers s’est réionisé, c'est-à-dire qu’il est passé d’un plasma ionisé juste après le Big bang (protons et électrons séparés), ensuite à une recombinaison conduisant à de l’hydrogène neutre et donc à un milieu opaque. Puis la lumière UV de ces étoiles a arraché les électrons des atomes d’hydrogène neutre permettant au cosmos de redevenir transparent : il aura fallu quand même 1 milliard d’années pour obtenir ce résultat.

              Voilà pourquoi ces étoiles initiales sont fondamentales pour comprendre l’évolution cosmique dans son ensemble. Problème, très lointaines dans l’espace et donc dans le temps, elles ne sont pas directement observables… à moins que le JWST ne change la donne.

Signes indirects de l’existence des étoiles de 

Population III

        Plusieurs pistes permettent de cerner la présence de ces étoiles du début :

        * Les spectres de galaxies très lointaines

             Bien que les étoiles de Population III n’aient jamais été observées directement, leur présence est suggérée par l’analyse spectrale de galaxies situées à des décalages vers le rouge extrêmes (z > 10).

        Certaines de ces galaxies montrent en effet :

                 . une émission Lyman-α anormalement intense (en rappelant que  l’émission Lyman‑α est une raie ultraviolette intense produite par l’hydrogène ionisé, et par conséquent l’un des meilleurs traceurs des étoiles très chaudes dans les galaxies primitives). On trouve donc dans ces galaxies des signatures spectrales indiquant une température de rayonnement très élevée  et une absence quasi totale de métaux dans le gaz environnant.

             . Ces indices orientent ainsi vers l’idée que ces galaxies contiennent — ou ont récemment contenu — des étoiles extrêmement chaudes, massives et dépourvues de métaux : exactement le portrait-robot des étoiles de Population III.

        * la chimie dans les étoiles très pauvres en métaux

         Au sein de notre galaxie, on observe des étoiles qualifiées d’ultra-pauvres en métaux (UMP), dont la composition chimique porte la trace des premières générations stellaires. Certaines présentent : des excès d’éléments légers (carbone, oxygène), des déficits extrêmes en fer, en somme des ratios d’abondance compatibles avec l’explosion de supernovae très massives (100–300 masses solaires).

        Ces étoiles sont considérées comme des “fossiles chimiques” : elles ne font pas partie des étoiles de Population III mais elles ont été enrichies par les supernovae de Population III, ce qui indirectement permet de reconstruire la nature de ces premiers astres.

          * Les signatures dans le fond diffus cosmologique (CMB)

               Les étoiles de Population III ont joué un rôle majeur dans la réionisation de l’Univers. Leur rayonnement ultraviolet intense a, nous l’avons déjà dit, progressivement ionisé l’hydrogène neutre, laissant des traces dans :

                . l’épaisseur optique mesurée par Planck,

                . les anisotropies de polarisation du CMB,

                . la chronologie de la réionisation.

        Ces signatures ne prouvent pas directement l’existence des étoiles de Population III, mais elles indiquent qu’une source de rayonnement extrêmement énergique a dû intervenir très tôt — ce que les modèles attribuent tout naturellement à ces étoiles primordiales.

Rôle fondamental du JWST

        Le télescope spatial James-Webb a transformé la recherche sur les étoiles de Population III. Grâce à sa sensibilité dans l’infrarouge et à sa capacité à observer des galaxies situées à z > 12, il a permis :

* de détecter des galaxies candidates extrêmement pauvres en métaux,

* d’observer des spectres compatibles avec des populations stellaires très chaudes,

* et d’identifier des objets dont la luminosité ne peut s’expliquer que par des étoiles massives et primitives.

        Le JWST a ouvert une fenêtre directe sur les premiers 300 millions d’années de l’Univers, une période jusque-là inaccessible. Il ne montre pas encore des étoiles de Population III isolées, mais il révèle des environnements où elles ont très probablement existé.

La découverte de ces astres anciens serait un tournant majeur

        Cela conduirait certainement à valider ou à réviser nos modèles cosmologiques actuels : en effet, l’observation directe d’une étoile de Population III — ou la  signature indiscutable de son existence —

. permettrait de confirmer les modèles de formation stellaire dans l’Univers primordial,

. de tester les prédictions sur la masse, la température et la durée de vie de ces étoiles,

.  et d’ajuster les scénarios de réionisation et d’évolution du gaz primordial.

        À l’inverse, la mise en évidence d’un modèle contraire aux modèles actuels obligerait à réviser profondément notre compréhension des premiers instants du cosmos.

Collision du Bullet Cluster — les distorsions gravitationnelles révèlent la matière noire, séparée du gaz chaud visible.

Matière noire et structure du cosmos

        Les étoiles de Population III ont été les architectes des premières galaxies puisqu’elles ont enrichi le gaz en métaux, déclenché les premières vagues de formation stellaire et façonné la structure du milieu intergalactique. Leur formation n’est pas seulement un phénomène baryonique : elle est intimement liée à la matière noire. Les observer directement permettrait de comprendre comment les galaxies ont évolué des nuages d’hydrogène neutre vers des structures complexes comme la Voie lactée.

        Ces premières étoiles se sont par ailleurs formées dans les puits de potentiel de la matière noire. Du coup, expliquer leur formation et leur rôle permettrait d’aborder des problèmes fondamentaux concernant la génèse de l’univers et qui, pour l’instant, restent hors de portée : tester les modèles de halos de matière noire, comprendre comment la matière baryonique s’est organisée autour de ces halos et préciser les scénarios de formation des grandes structures (amas, filaments, vides extragalactiques).

En définitive, ces étoiles primordiales ne sont pas seulement des curiosités théoriques : elles sont les clés de notre histoire cosmique. Et c’est pourquoi les trois questions suivantes demeurent essentielles pour comprendre l’aube de l’Univers.

— Certaines théories alternatives (matière noire chaude, interactions faibles) pourraient, de plus, être confirmées ou invalidées par la chronologie de formation des premières étoiles.

— En cherchant les étoiles de Population III, les scientifiques ne poursuivent pas seulement des astres disparus depuis plus de treize milliards d’années : ils tentent de retrouver la première lueur qui a façonné le cosmos. Ces géantes primitives ont semé les métaux, réionisé l’espace, structuré la matière et préparé la naissance des galaxies. Leur empreinte est partout, mais leur visage nous échappe encore.

— Grâce au télescope James-Webb, nous commençons pourtant à entrevoir leurs traces, à reconnaître leurs signatures spectrales et à reconstituer leur rôle dans l’aube cosmique. Découvrir un jour l’une de ces étoiles — ou confirmer sans ambiguïté leur existence — serait bien plus qu’une prouesse d’observation : ce serait comprendre comment l’Univers est passé de l’obscurité à la lumière et comment les premières structures ont émergé des profondeurs de la matière noire. En somme, ce serait éclairer les tout premiers instants de notre histoire cosmique.

Images :

1. Vue d’artiste ESO représentant les premières étoiles de Population III illuminant l’Univers primordial encore opaque

2. Vue d’artiste ESO d’une étoile de Population III explosant en supernova d’instabilité de paires

3. Champ profond SMACS 0723 observé par le télescope spatial James-Webb : galaxies très lointaines révélées par lentille gravitationnelle

4. Collision du Bullet Cluster : séparation du gaz chaud et de la matière noire révélée par les distorsions gravitationnelles

Sujets apparentés sur le blog

1.  les étoiles primordiales

2. les galaxies

3. Big bang et origine de l’Univers

4. juste après le Big bang

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