Voici ce que I Zwicky 18 peut nous dire sur les premières étoiles de l'univers

Une galaxie naine bleue à seulement 59 millions d'années-lumière peut abriter des cousins ​​des mystérieuses étoiles de Population III.

Les premières étoiles de l'univers étaient différentes de toutes celles que nous pouvons voir aujourd'hui. Connus des astronomes sous le nom d'étoiles de la population III, ils étaient grands, massifs et composés presque entièrement d'hydrogène et d'hélium. Les étoiles de la population III étaient importantes car elles enrichissaient le milieu interstellaire en métaux - tous les éléments plus lourds que l'hydrogène et l'hélium - et participaient à la réionisation, un événement quelques centaines de millions d'années après le Big Bang qui a rendu l'univers plus transparent.

Trouver des étoiles de Population III pourrait confirmer des parties importantes de nos théories de la cosmologie et de l'évolution stellaire. Cependant, ils devraient tous être partis de la Voie lactée maintenant, ayant explosé en supernova il y a longtemps. Nous pouvons regarder dans l'univers lointain pour les rechercher à de hauts décalages vers le rouge - et en effet, le télescope spatial James Webb fera exactement cela - mais détecter des étoiles individuelles à cette distance dépasse nos capacités actuelles. Jusqu'à présent, les télescopes n'ont rien révélé.

Une image du télescope spatial Hubble de I Zwicky 18 montre du gaz illuminé par de jeunes étoiles bleues. Crédit d'image: NASA / ESA / A. Aloisi.

Les observations récentes d'une galaxie naine voisine nommée I Zwicky 18, cependant, nous ont donné un peu d'espoir. À seulement 59 millions d'années-lumière, la galaxie semble contenir des nuages ​​d'hydrogène presque exempts de métaux. De plus, il subit une explosion de formation d'étoiles qui pourrait produire des étoiles très similaires aux étoiles de Population III. Si nous pouvions en savoir plus sur cette galaxie, cela pourrait nous fournir des indices sur la forme des premières étoiles et galaxies de l'univers.

La vague actuelle de formation d'étoiles est-elle la première?

Les premières observations HI de I Zwicky 18 ont utilisé le radio-interféromètre de Westerbork, aux Pays-Bas. Crédit d'image: utilisateur Wikipedia Onderwijsgek, sous la licence Creative Commons Attribution-Share Alike 2.5 Pays-Bas.

L'une des premières études à attirer l'attention sur la possibilité que I Zwicky 18 forme des étoiles analogues à Population III a été réalisée par Lequex & Viallefond en 1980. Elles ont complété les observations optiques existantes des régions HII - des nuages ​​de gaz ionisé qui hébergent de jeunes étoiles chaudes et massives - avec des études des régions HI via la ligne d'émission de 21 cm, un outil clé pour cartographier l'hydrogène neutre. Ils essayaient de déterminer si le cycle actuel de formation d'étoiles massives dans la galaxie naine était le premier, ou s'il avait été précédé par d'autres événements, polluant les nuages ​​d'hydrogène avec des métaux.

Leurs observations radio avec le radiotélescope Westerbork Synthesis ont trouvé une masse HI totale d'environ 70 millions de masses solaires dans six régions distinctes, dont trois restaient en suspens. Ils n'ont pas pu connecter les composants individuels aux cartes des régions HII, mais les mesures de la vitesse radiale des nuages ​​ont révélé que la masse totale de la galaxie était beaucoup plus grande d'environ un facteur dix, ce qui suggère qu'une autre sorte de masse était présente.

Il y avait deux possibilités: soit la masse invisible était de l'hydrogène moléculaire - qui n'émettrait pas de rayonnement de 21 cm - soit il y avait une faible population d'étoiles plus anciennes. L'hypothèse de l'hydrogène moléculaire ne pouvait pas être exclue, mais l'idée d'un groupe d'étoiles encore inconnu était attrayante. D'une part, les nuages ​​HI semblaient assez similaires aux nuages ​​primordiaux nécessaires à la formation des galaxies. Si ces régions HI étaient réellement primordiales, ces étoiles sombres auraient pu les soutenir contre l'effondrement gravitationnel pendant des milliards d'années.

Figure 5, Lequex & Viallefond 1980. Une carte des régions HI de la galaxie montre que trois (étiquetées 1, 2 et 5) sont suffisamment grandes pour être résolues, tandis que les autres sont des sources ponctuelles. Les régions 1, 4 et 5 sont les plus massives.

Une image a commencé à émerger. La comparaison des émissions du continuum de Lyman avec celles des ultraviolets lointains a indiqué que l'éclatement de la formation des étoiles devait avoir commencé il y a quelques millions d'années, probablement en raison de la collision de plusieurs nuages ​​d'hydrogène. Avant cela, il y aurait eu formation d'étoiles rouges sombres à plus petite échelle, mais pas suffisamment pour enrichir la galaxie plus que ne le suggéraient les faibles abondances observées en oxygène. Par conséquent, les étoiles se formant dans I Zwicky 18 devraient en effet être très proches des étoiles de Population III.

À quelle sorte d'étoiles avons-nous affaire?

Figure 1, Kehrig et al. 2015. Une image composite (hydrogène alpha + UV + bande r) de nœuds lumineux dans la galaxie naine montrant une émission intense d'hélium.

L'idée a fait son chemin au cours des prochaines décennies, et les astronomes se sont intéressés à déterminer la nature de ces jeunes étoiles. Un groupe (Kehrig et al.2015) était particulièrement intéressé à déterminer quel type d'étoiles massives pourrait expliquer le mieux la lignée He II λ4686, un indicateur de rayonnement dur et de matériau ionisant d'étoiles chaudes dans les régions de formation d'étoiles HII. Il y avait deux coupables possibles:

  • Étoiles de Wolf-Rayet de type ancien, qui seraient responsables d'une grande partie de l'émission He II λ4686 dans les galaxies formatrices d'étoiles.
  • Chocs et binaires à rayons X, qui ont également été trouvés dans les régions extragalactiques HII.
  • Étoiles O extrêmement pauvres en métaux, ou - en allant plus loin - étoiles O entièrement exemptes de métaux, similaires aux étoiles Population III.

Le groupe a rapidement exclu les stars de Wolf-Rayet. Les signatures clés des étoiles Wolf-Rayet en carbone pauvre en métaux étaient clairement évidentes dans les spectres, mais le nombre inféré basé sur la ligne C IV λ1550 était trop petit pour tenir compte de toutes les émissions d'hélium. De même, la possibilité de radiographie binaire a été écartée car la seule radiographie binaire trouvée était trop faible d'un facteur 100.

Figure 2, Kehrig et al. 2015. Une région d'émission élevée de Hα et He II λ4686 montre peu de chevauchement avec l'émission [OI] λ6300 et un faible contraste [S II], excluant la possibilité de chocs radiologiques.

Cependant, un groupe d'une dizaine d'étoiles sans métal d'une centaine de masses solaires ou plus pourrait reproduire avec succès la lignée He II λ4686 observée. Il y a des poches de gaz près d'un nœud dans le bord nord-ouest de la galaxie qui sont dépourvues de métaux et fourniraient un environnement approprié pour que ces étoiles se forment, bien qu'il y ait aussi probablement des étoiles enrichies chimiquement là-bas. Certains modèles de masse extrêmement élevée (~ 300 masses solaires) offrent une alternative à ces étoiles sans métal, mais à la lumière des observations précédentes, les modèles sans métal restent alléchants.

Pour le moment, nos télescopes ne peuvent pas détecter les étoiles de la population III. Jusqu'à ce qu'ils le fassent, nous pouvons encore en apprendre beaucoup sur les premiers univers en étudiant des galaxies naines compactes bleues comme I Zwicky 18. Les analogues sans métal à faible décalage vers le rouge des premières étoiles de l'univers sont suffisamment proches pour que nous puissions étudier aujourd'hui. La galaxie la plus pauvre en métaux de l'univers est un bon point de départ.