Une galaxie vieille de seulement 350 millions d’années possède des quantités surprenantes de métal
Des astrophysiciens travaillant avec le JWST ont trouvé une quantité surprenante de métal dans une galaxie seulement 350 millions d'années après le Big Bang. Comment cela s'accorde-t-il avec notre compréhension de l'univers ?
L'origine des premiers métaux de l'univers est une question fondamentale en astrophysique. Peu de temps après le Big Bang, l'univers était presque entièrement composé d'hydrogène, le plus simple des éléments. Il y avait un peu d'hélium, encore moins de lithium, et peut-être une quantité infinitésimale de béryllium. Lorsque vous regardez le tableau périodique des éléments, ce sont les quatre premiers.
En astronomie, tous les éléments plus lourds que l'hydrogène et l'hélium sont appelés métaux. Les métaux sont produits dans les étoiles et nulle part ailleurs (à l'exception de l'infime quantité produite par le Big Bang lui-même). Retracer la formation des métaux de l'univers depuis le Big Bang jusqu'à aujourd'hui est l'une des quêtes fondamentales de l'astrophysique.
La métallicité est un concept fondamental dans notre étude de l'univers. Sans métaux, les planètes rocheuses ne peuvent pas se former. La vie non plus. Au fil des générations successives d'étoiles, la métallicité de l'univers a augmenté. Il y a donc une trajectoire sous-jacente qui découle des premiers métaux et qui mène directement à nous.
L'étude des galaxies anciennes est l'une des principales quêtes du télescope spatial James Webb. Le JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES) a examiné une région du ciel à la recherche de galaxies faibles et précoces. En remontant si loin dans le temps jusqu'aux premières galaxies de l'univers, le JWST fait la lumière sur la métallicité ancienne.
Une équipe de chercheurs travaillant avec les observations de JADES a examiné une galaxie seulement 350 millions d'années après le Big Bang et a trouvé du carbone. Ils ont peut-être également trouvé de l'oxygène et du néon, tous des métaux en astronomie. Leurs résultats sont publiés dans un nouvel article publié sur le serveur de prépublication arXiv et intitulé « JADES : Enrichissement en carbone 350 millions d'années après le Big Bang dans une galaxie riche en gaz ». L'auteur principal est Francesco D'Eugenio, astrophysicien post-doctorant à l'Institut Kavli de cosmologie de Cambridge.
Les premières étoiles qui se sont formées dans l'univers sont appelées étoiles de population III. Ce sont les étoiles les plus anciennes, et elles étaient massives, lumineuses et chaudes, avec presque pas de métaux. L'infime quantité de métaux qu'ils contenaient provenait des premières supernova parmi eux.
Une grande partie de nos connaissances sur les étoiles de population III est théorique car ces étoiles anciennes, dans leurs anciennes galaxies, sont extrêmement difficiles à observer. Mais le JWST en est capable. Il ne peut pas identifier les étoiles individuellement, mais son puissant instrument NIRSpec peut détecter différents éléments de la galaxie grâce à leurs signatures lumineuses révélatrices.
Cette nouvelle recherche est basée sur une galaxie à z=12,5 près de l'Aube cosmique, une époque critique dans l'histoire de l'univers. Lorsque les chercheurs ont étudié les observations du JWST, ils ont découvert une quantité inattendue de carbone dans la galaxie. C'est soit dans le milieu interstellaire (ISM), soit dans le milieu circumgalactique (CGM). « Il s'agit de la détection la plus éloignée d'une transition métallique et de la détermination du décalage vers le rouge la plus éloignée via des raies d'émission », expliquent-ils. C'est aussi la « preuve la plus lointaine d'enrichissement chimique » trouvée à ce jour.
Cette détection entre directement en collision avec notre compréhension des étoiles de population III sans métal. « La détection de C iii – et de ses largeurs équivalentes élevées – exclut les scénarios de populations stellaires vierges », écrivent les auteurs.
Si Webb a exclu l'existence d'étoiles de population III vierges et sans métal, c'est une grande nouvelle. C'est un autre exemple du puissant télescope spatial qui bouleverse nos meilleures explications de l'univers que nous voyons autour de nous. Mais ce n'est pas tout à fait choquant ; l'existence d'étoiles de population III est théorique. Compte tenu de tout ce que nous savons d'autre sur l'univers, leur existence avait un sens.
Mais les étoiles de population III n'ont jamais été une certitude.
Lorsque quelque chose comme cela est découvert, les scientifiques s'efforcent d'envisager toutes les autres explications possibles de ce qu'ils voient.
Voient-ils vraiment du carbone dans les étoiles de cette galaxie lointaine et ancienne ? Ou quelque chose d'autre pourrait-il être à l'origine de ces émissions ? L'ancienne galaxie ne se limite pas aux étoiles. Il abrite également un trou noir supermassif (SMBH). Lorsqu'un SMBH se nourrit de matière, il peut s'enflammer sous la forme d'un noyau galactique actif (AGN). Ce signal lumineux pourrait être ce que le JWST voit.
« De plus, un trou noir supermassif en accrétion a été identifié dans cette galaxie, ce qui suggère que les abondances chimiques particulières pourraient être principalement associées à sa région nucléaire », expliquent les chercheurs.
Il existe une autre source potentielle de carbone dans la galaxie. Ce sont des étoiles AGB, des étoiles géantes asymptotiques. Les étoiles AGB ne sont pas de grandes étoiles explosives comme le sont les progéniteurs de supernovae, mais ce sont de grandes étoiles qui ont quitté la séquence principale. Par rapport aux supernovae, les étoiles AGB produisent des métaux en douceur.
Mais il faut beaucoup de temps pour qu'une étoile évolue en étoile AGB. Lorsque l'univers n'avait que 350 millions d'années, aucune étoile n'avait vécu assez longtemps pour devenir des AGB. "... Les étoiles AGB ne peuvent pas contribuer à l'enrichissement en carbone à ces époques précoces », écrivent les auteurs.
En fin de compte, les chercheurs rapportent la détection de carbone, mais ils ne peuvent pas nous dire exactement d'où il vient. Il peut s'agir de « ... l'héritage de la première génération de supernovae à partir de progéniteurs de la population III », écrivent-ils.
Le JWST a été poussé à ses limites pour voir cette galaxie primitive. « Cette détection de la transition métallique la plus lointaine, qui a fourni des informations si précieuses sur les premières phases de l'enrichissement chimique, a nécessité une exposition très longue », expliquent les auteurs. Il a fallu 65 heures au JWST pour recueillir ces données en raison de l'extrême faiblesse de la galaxie.
Même avec tout ce temps d'observation, les chercheurs ne peuvent arriver qu'à des explications provisoires de la métallicité qu'ils voient. Il n'est pas très pratique d'utiliser 65 heures de temps du JWST pour étudier une galaxie par spectroscopie, mais c'est ce que le JWST doit faire pour ce type de spectroscopie précise. Cela pourrait changer à l'avenir.
« Cependant, à l'avenir, les relevés de grande surface et les lentilles gravitationnelles pourraient aider à identifier des galaxies à décalage vers le rouge plus élevé qui sont suffisamment brillantes pour un suivi spectroscopique profond avec des expositions plus courtes », écrivent les chercheurs.
Lorsque cela se produit, les astrophysiciens disposeront de la taille d'échantillon la plus grande tant recherchée. Avec ces précieuses données en main, peut-être pourront-ils arriver à une explication plus ferme de cette découverte surprenante.
Source : phys.org