Des étoiles supermassives à l’origine d’amas globulaires ?

La composition chimique des étoiles nées dans les amas d’étoiles les plus anciens et les plus massifs de l’univers présente des anomalies que l’on ne trouve dans aucune autre population d’étoiles.

Une équipe des universités de Genève, Paris et Barcelone, avec la participation de l’Institut d’études spatiales de Catalogne (IEEC) à travers l’Institut des sciences cosmiques (ICC) de l’Université de Barcelone (UB), a trouvé des traces de étoiles supermassives qui peuvent expliquer les anomalies observées dans les grands amas d’étoiles.

Les amas globulaires sont des groupes d’étoiles très denses répartis dans une sphère, dont le rayon varie entre dix et cent années-lumière. Ils peuvent contenir jusqu’à un million d’étoiles et se trouvent dans toutes sortes de galaxies. La nôtre en abrite environ 180. L’un des grands mystères est la composition de ses étoiles : pourquoi est-elle si variée ? Par exemple, le rapport de l’oxygène, de l’azote, du sodium et de l’aluminium varie d’une étoile à l’autre. Cependant, ils sont tous nés en même temps, dans le même nuage de gaz. Les astrophysiciens appellent cela des “anomalies d’abondance”.

L’équipe de recherche, composée de spécialistes de l’Université de Genève (UNIGE), de l’IEEC, de l’Institut des sciences cosmiques et de l’Institut d’astrophysique de Paris (affilié au CNRS et à l’Université de Sorbonne) a fait une nouvelle avancée dans l’explication de ce phénomène.

En 2018, l’équipe avait développé un modèle théorique selon lequel des étoiles supermassives auraient “contaminé” le nuage de gaz d’origine lors de la formation de ces amas, enrichissant leurs étoiles d’éléments chimiques de manière hétérogène. “Aujourd’hui, grâce aux données recueillies par le télescope spatial James Webb, nous pensons avoir trouvé un premier indice sur la présence de ces étoiles extraordinaires”, explique Corinne Charbonnel, maître de conférences au Département d’astronomie de la Faculté des sciences de l’UNIGE et co- auteur de l’étude.

Ces monstres célestes étaient entre 5 000 et 10 000 fois plus massifs et cinq fois plus chauds en leur centre (75 millions de degrés Celsius) que le Soleil, mais prouver leur existence est complexe. « Les amas globulaires ont entre 10 et 13 milliards d’années, tandis que la durée de vie maximale des superstars est de deux millions d’années. Ils ont donc disparu très tôt des amas actuellement observables. Il ne reste que des traces indirectes », explique Mark Gieles, professeur à l’ICREA et chercheur IEEC à l’Institut des sciences du cosmos (ICC) de l’Université de Barcelone, co-auteur de l’étude.

Un amas globulaire typique, Messier 13 (M13). (Photo : NASA / ESA / Hubble Heritage Team (STScI / AURA). Avec la collaboration de : C. Bailyn (Yale University), W. Lewin (Massachusetts Institute of Technology), A. Sarajedini (University of Florida), et W van Altena (Université de Yale))

Grâce à la vision infrarouge extrêmement puissante du télescope spatial James Webb, les auteurs de l’étude ont réussi à corroborer leur hypothèse. L’observatoire spatial a capturé la lumière émise par une galaxie située à quelque 13,3 milliards d’années-lumière. C’est l’une des plus lointaines connues. Et, considérant que nous le voyons tel qu’il était il y a 13,3 milliards d’années, dans l’enfance de l’univers, c’est aussi, d’un point de vue observationnel, l’un des plus primitifs connus.

Cette galaxie, appelée GN-z11, n’a que quelques dizaines de millions d’années telle que nous la voyons maintenant de ce point de l’univers.

En astronomie, l’analyse du spectre lumineux des objets cosmiques est une ressource clé pour déterminer leurs caractéristiques. Dans ce cas, la lumière émise par la galaxie a fourni deux informations précieuses : il a été établi qu’elle contient de très fortes proportions d’azote et une très forte densité d’étoiles.

Ceci suggère que plusieurs amas globulaires sont (étaient) en train de se former dans cette galaxie et qu’elle héberge encore une étoile supermassive active, puisque la forte présence d’azote ne peut s’expliquer que par la combustion nucléaire d’hydrogène à des températures extrêmement élevées, dont seul le cœur de les étoiles supermassives peuvent atteindre.

Ces nouveaux résultats renforcent le modèle de l’équipe internationale, le seul actuellement capable d’expliquer les anomalies précitées dans les amas globulaires.

La prochaine étape des scientifiques sera de tester la validité de ce modèle dans d’autres amas globulaires qui se forment dans des galaxies lointaines, en utilisant les données du télescope spatial James Webb.

L’étude s’intitule “N-enhancement in GN-z11: First evidence for supermassive stars nucleosynthes in proto-globular clusters-like conditions at high redshift?” Et il a été publié dans la revue académique Astronomy and Astrophysics. (Source : IEEC / ICCUB / Université de Genève)