Voici ce que je peux dire, Zwicky 18, sur les premières étoiles de l'univers

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

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

Trouver des étoiles de la population III pourraient confirmer des parties importantes de nos théories de la cosmologie et de l'évolution stellaire. Cependant, ils devraient tous déjà être partis de la Voie Lactée, ayant déjà explosé comme une supernova il y a longtemps. Nous pouvons examiner l’univers lointain pour les rechercher lors de hauts décalages vers le rouge - et le Télescope spatial James Webb le fera tout à fait, mais la détection d’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 un gaz illuminé par de jeunes étoiles bleues. Crédit image: NASA / ESA / A. Aloisi.

Les observations récentes d'une galaxie naine appelée I Zwicky 18 à proximité nous ont toutefois donné un peu d'espoir. À seulement 59 millions d'années-lumière de distance, la galaxie semble contenir des nuages ​​d'hydrogène presque sans métaux. De plus, elle est en train de subir une explosion de formation d’étoiles qui pourrait produire des étoiles très similaires aux étoiles de la population III. Si nous pouvions en apprendre davantage sur cette galaxie, cela pourrait nous donner des indices sur la nature 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 été réalisées à l'aide d'un interféromètre à Westerbork aux Pays-Bas. Crédit image: Onderwijsgek, utilisateur de Wikipedia, sous licence Creative Commons Attribution-Share Alike 2.5 Netherlands.

L'une des premières études à attirer l'attention sur la possibilité que des étoiles analogues de population III soient formées par I Zwicky 18 a été réalisée par Lequex & Viallefond en 1980. Elles complétaient les observations optiques existantes de régions HII - des nuages ​​de gaz ionisé qui hébergent de jeunes étoiles chaudes et massives - avec des études des régions IH via la ligne d’émission de 21 cm, un outil essentiel pour la cartographie de l’hydrogène neutre. Ils cherchaient à savoir 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 par des métaux.

Leurs observations radio avec le radiotélescope Westerbork Synthesis ont révélé une masse totale en HI d’environ 70 millions de masses solaires dans six régions distinctes, dont trois n’étaient pas encore résolues. Ils étaient incapables de connecter des composants individuels aux cartes des régions HII, mais les mesures de vitesse radiale des nuages ​​ont révélé que la masse totale de la galaxie était beaucoup plus grande d'un facteur dix, suggérant ainsi la présence d'une autre sorte de masse.

Il y avait deux possibilités: soit la masse invisible était de l'hydrogène moléculaire - qui n'émettrait pas de rayonnement de 21 cm -, soit une faible population d'étoiles plus âgées. L’hypothèse de l’hydrogène moléculaire n’a pas pu être écartée, mais l’idée d’un groupe d’étoiles encore invisible a été séduisante. D'une part, les nuages ​​HI sont apparus assez similaires aux nuages ​​primordiaux nécessaires à la formation de galaxies. Si ces régions HI étaient réellement primordiales, ces étoiles étoilées auraient pu les soutenir contre l’effondrement gravitationnel pendant des milliards d’années.

Figure 5, Lequex & Viallefond 1980. Une carte des régions HI dans la galaxie montre que trois (étiquetées 1, 2 et 5) sont suffisamment grandes pour être résolues, les autres étant 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 les émissions ultraviolettes lointaines indique que l'éclatement de la formation d'étoiles doit avoir commencé il y a quelques millions d'années, probablement à cause de la collision de plusieurs nuages ​​d'hydrogène. Auparavant, il y aurait eu formation d'étoiles rouge pâle à une plus petite échelle, mais pas assez pour enrichir la galaxie plus que les faibles abondances d'oxygène observées suggérées. Par conséquent, les étoiles qui se forment dans I Zwicky 18 devraient en effet être très proches des étoiles de la population III.

De quelle sorte d'étoiles avons-nous affaire?

La figure 1, Kehrig et al. 2015. Image composite (hydrogène alpha + UV + r’-bande) de noeuds lumineux de la galaxie naine présentant 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 par le type d'étoiles massives qui pourrait le mieux expliquer la lignée He II λ4686, un indicateur du rayonnement dur et du matériau ionisant des étoiles chaudes dans les régions de formation d'étoiles HII. Il y avait deux coupables possibles:

  • Les étoiles de type Wolf-Rayet de type précoce, considérées comme étant responsables d'une grande partie de l'émission de He II λ4686 dans les galaxies qui se forment.
  • Les binaires de chocs et rayons X, qui ont également été trouvés dans les régions HII extragalactiques.
  • O étoiles extrêmement pauvres en métaux ou, pour aller encore plus loin, des étoiles O entièrement dépourvues de métal, similaires aux étoiles de la population III.

Le groupe a écarté rapidement les étoiles Wolf-Rayet. Les signatures clés des étoiles Wolf-Rayet au carbone pauvre en métal étaient clairement évidentes dans le spectre, mais le nombre inféré basé sur la ligne C IV λ1550 était trop petit pour prendre en compte toute l'émission d'hélium. De même, la possibilité binaire de rayons X a été écartée car le seul binaire de rayons X trouvé était trop faible par 100.

La figure 2, Kehrig et al. 2015. Une région d'émission élevée de Hα et He II λ4686 présente peu de chevauchement avec l'émission de [OI] λ6300 et un faible contraste [S II], excluant la possibilité de chocs par rayons X.

Cependant, un groupe d'environ une douzaine d'étoiles sans métaux de cent masses solaires ou plus pourrait reproduire avec succès la lignée observée He II λ4686. Il y a des poches de gaz près d'un nœud sur le bord nord-ouest de la galaxie qui sont dépourvues de métaux et qui fourniraient un environnement approprié pour la formation de ces étoiles, bien qu'il existe également probablement des étoiles enrichies en produits chimiques. 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 attrayants.

Pour le moment, nos télescopes ne peuvent pas détecter les étoiles de la population III. En attendant, nous pouvons encore en apprendre beaucoup sur l'univers primitif en étudiant des galaxies naines compactes bleues comme celle de Zwicky 18. Les analogies sans métal des premières étoiles de l'univers sont suffisamment proches pour être étudiées aujourd'hui. La galaxie la plus pauvre en métaux de l'univers est un bon point de départ.