Les astronomes ont peut-être trouvé les traces chimiques de l’une des premières étoiles – née alors que l’univers n’avait que 100 millions d’années – qui a explosé en une “super-supernova”.
Ces premières générations étoilesconnues sous le nom d’étoiles de Population III, ont fini leur vie dans des supernova des explosions qui ont ensemencé l’univers avec des éléments chimiques que les étoiles avaient forgés au cours de leur vie. Ce matériau a ensuite été incorporé dans la prochaine génération d’étoiles, de planètes et même de nous, ce qui signifie que comprendre comment ces premières étoiles ont enrichi le univers avec des éléments lourds est essentielle pour comprendre son évolution au cours de ses 13,7 milliards d’années d’histoire.
Mais les astronomes n’ont pas été en mesure de trouver des preuves directes de l’une de ces premières étoiles de la population III – jusqu’à présent.
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Une équipe de scientifiques a utilisé le télescope Gemini North de 8,1 mètres sur l’île d’Hawai’i pour analyser un quasarun objet super brillant alimenté par un trou noir massif, comme il y a 13,1 milliards d’années, alors que l’univers n’avait que 700 millions d’années, et a trouvé un nuage avec une signature chimique distinctive entourant l’objet.
Les chercheurs ont pu déduire les éléments chimiques du nuage et ont trouvé un rapport fer/magnésium anormalement élevé — 10 fois supérieur au même rapport dans le nuage. Soleil. Les astronomes pensent que ce nuage de débris ne pourrait être que le résultat d’une étoile de première génération avec une masse 300 fois supérieure à celle du Soleil qui a explosé dans une supernova remarquablement puissante appelée supernova à instabilité de paires.
Les astronomes n’ont pas encore été témoins d’une supernova à instabilité de paires, mais théorisent que ces explosions spectaculaires se produisent lorsque de gigantesques étoiles dont la masse est comprise entre 150 et 250 fois celle du soleil atteignent la fin de leur vie.
Au cours de cette explosion cosmique massive, pense-t-on, les photons au centre d’une étoile se transforment spontanément en électrons chargés négativement et leurs homologues chargés positivement, les positrons. Cela met fin à la pression de rayonnement vers l’extérieur qui soutient les étoiles contre la force vers l’intérieur de la gravité au cours de leur vie. En conséquence, l’étoile subit un effondrement gravitationnel, déclenchant une explosion de supernova qui fait exploser les couches externes.
Mais là où les supernovas ordinaires laissent derrière elles des restes stellaires sous la forme de étoiles à neutrons ou trous noirsles supernovas à instabilité de paires ne projettent pas tout leur matériel dans l’espace.
Cela signifie que ces supernovas ne peuvent pas être repérées en recherchant des restes stellaires, et ne peuvent donc être suivies que de deux manières : soit en les voyant directement au fur et à mesure qu’elles se produisent – très peu probable compte tenu de l’immensité de l’espace – soit en repérant la signature chimique du matériel qu’ils font exploser.
“Il était évident pour moi que la supernova candidate pour cela serait une supernova à instabilité de paires d’une étoile de Population III, dans laquelle l’étoile entière explose sans laisser de reste”, a déclaré Yuzuru Yoshii, co-auteur de la recherche et astronome de l’Université de Tokyo. dit dans un déclaration. “J’ai été ravi et quelque peu surpris de constater qu’une supernova à instabilité de paires d’une étoile avec une masse d’environ 300 fois celle du soleil fournit un rapport magnésium/fer qui correspond à la faible valeur que nous avons dérivée pour le quasar.”
Repérer la signature chimique d’une étoile de première génération
Avec les co-auteurs de la recherche, l’astronome de l’Université de Tokyo Hiroaki Sameshima et l’astronome de l’Université de Notre Dame Timothy Beers, Yoshii s’est tourné vers les observations antérieures faites par le télescope Gemini North de 8,1 mètres à l’aide du Gemini Near-Infrared Spectrograph (GNIRS) pour rechercher des signatures d’étoiles éclatées de la population III.
Parce que les éléments absorber et émettre de la lumière à des longueurs d’onde spécifiques, ils laissent des « empreintes digitales » distinctives sur la lumière qui traverse un nuage ou une atmosphère. Les spectrographes comme GNIRS prennent cette lumière et identifient les éléments par cette empreinte digitale, déterminant ainsi la composition chimique du nuage. La détermination des quantités d’un élément reste cependant difficile car la luminosité d’une signature peut dépendre d’autres facteurs que l’abondance.
Les astronomes de l’Université de Tokyo se sont attaqués à ce problème en développant une méthode qui repose sur l’intensité des longueurs d’onde de la lumière provenant du spectre lumineux d’un quasar. Cette approche a permis aux scientifiques de déterminer l’abondance d’éléments dans les nuages entourant ce quasar, révélant la quantité inhabituellement élevée de fer par rapport au magnésium.
Yoshii et l’équipe pensent qu’il s’agit de l’indicateur le plus clair à ce jour d’une étoile de Population III et d’une supernova à instabilité de paires. L’équipe souhaite étudier des nuages de quasars similaires et tenter de découvrir s’ils possèdent également ces caractéristiques.
Et bien que les étoiles de masse élevée de la population III aient mis fin à leur vie il y a longtemps et que l’événement ne soit donc visible que de loin, leurs signatures chimiques peuvent être détectables plus près de chez elles. L’équipe pense que la signature d’instabilité des paires peut durer longtemps, de sorte que la preuve d’étoiles mortes depuis longtemps peut également être trouvée imprimée sur des objets de l’univers local.
“Nous savons maintenant ce qu’il faut rechercher; nous avons une voie”, a déclaré Beers dans le même communiqué. “Si cela s’est produit localement dans le tout premier univers, ce qui aurait dû être le cas, nous nous attendrions à en trouver la preuve.”
Les recherches de l’équipe sont disponibles sous forme de préimpression sur le référentiel de recherche arXiv.org et sera publié dans l’Astrophysical Journal.
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