Le télescope James-Webb aurait trouvé des traces d'étoiles 10 000 fois plus massives que le Soleil !

La majorité des étoiles de la Voie lactée ne sont guère plus massives ou plus légères que le Soleil et elles vivent au moins quelques milliards d'années. Les étoiles de quelques dizaines de masses solaires sont bien plus rares. On connaît quelques cas qui semblent dépasser un peu plus de 200 masses solaires mais la théorie de la structure stellaire nous dit que des étoiles dépassant 150 masses solaires deviennent très instables.

Toutefois, au début de l'histoire de l'Univers observable, quand la nucléosynthèsenucléosynthèse des éléments plus lourds que le lithiumlithium commençait tout juste dans les premières étoiles quelques centaines de millions d'années après le Big BangBig Bang, on soupçonne l'existence d'étoiles supermassives dépassant le millier de masses solaires. Elles étaient rendues possibles précisément parce que ces éléments que les astrophysiciensastrophysiciens appellent par convention des métauxmétaux - même si le carbonecarbone, l'oxygèneoxygène et l'azoteazote n'en sont pas pour les chimistes - modifient la façon dont la lumièrelumière produite par les réactions thermonucléaires de fusionfusion interagit avec la matièrematière des étoiles, déplaçant l'équilibre entre les forces gravitationnellesforces gravitationnelles qui compriment une étoile et la pression de radiationpression de radiation qui s'oppose à la contraction gravitationnelle.

Des étoiles supermassives produites par fusions multiples ?

Les astrophysiciens ont considéré l'existence d'étoiles supermassives dans le cadre de plusieurs scénarios et notamment pour expliquer une curieuse anomalieanomalie constatée dans la composition chimique des étoiles dans les amas globulairesamas globulaires. Or, justement, une équipe internationale formée de chercheurs des universités de Genève (Unige) et Barcelone, ainsi que de l'Institut d'astrophysiqueastrophysique de Paris (CNRS et Sorbonne Université) vient d'annoncer via un article paru dans Astronomy and Astrophysics, mais que l'on peut trouver en accès libre sur arXiv, qu'elle pensait avoir trouvé la trace cosmochimique de ces étoiles. Ces traces soutiennent l'existence d'astresastres contenant de 5 000 à 10 000 masses solaires dans des proto-amas globulaires, nés environ 440 millions d'années après le Big Bang.

Pour obtenir ce résultat, les chercheurs ont mobilisé le télescopetélescope James-Webb en observant une galaxiegalaxie compacte qui est la plus lointaine détectée avec le télescope Hubble : GN-z11.

Pour comprendre de quoi il en retourne avec le travail aujourd'hui publié, rappelons que les amas globulaires sont des regroupements d'étoiles qui sont parmi les plus anciennes connues. Ce ne sont pas des produits récents de pouponnières d'étoiles comme le sont les amas ouvertsamas ouverts que l'on observe dans les bras spiraux de la Voie lactée par exemple. Mais tout comme les amas ouverts, les étoiles composant les amas globulaires doivent être nées toutes en même temps ou presque, il y a plus de 10 milliards d'années, par effondrementeffondrement gravitationnel d'un nuagenuage de matière d'une composition donnée.

Les amas globulaires devraient donc être plutôt homogènes chimiquement et avec des taux de métaux, une métallicitémétallicité, comme disent les astrophysiciens dans leur jargon, faible. Or, on trouve dans ces amas globulaires des écarts parfois importants à ces prédictions.

Une théorie proposée pour expliquer ces anomalies repose sur le fait que les amas globulaires étant particulièrement compacts, on peut trouver jusqu'à un million d'étoiles dans une sphère d'une centaine d'années-lumièreannées-lumière tout au plus. Des calculs montrent alors qu'une sorte de réaction en chaîneréaction en chaîne peut se produire conduisant finalement un grand nombre d'étoiles à entrer en collision pour finir par donner, par une sorte d'effet boule de neige, des étoiles supermassives pouvant donc contenir entre 5 000 et 10 000 masses solaires.

Une synthèse exotique et massive de noyaux d'azote

On sait modéliser ces étoiles et les réactions thermonucléaires qui les font briller deux millions d'années tout au plus avant qu'elles ne meurent en s'effondrant probablement directement en trou noirtrou noir, sans passer par la phase supernovasupernova des étoiles de quelques dizaines de masses solaire. Mais avant cela, ces étoiles supermassives produisent des ventsvents de matière rejetant dans le milieu interstellaire les éléments nouvellement formés.

Les calculs montrent alors que ces étoiles, dont le cœur est initialement cinq fois plus chaud que notre Soleil (75 millions °C), vont produire des quantités bien particulières d'éléments lourds et notamment beaucoup de noyaux d'azote. Quelques-unes de ces étoiles nées dans les amas peuvent donc « polluer » en quelque sorte les autres étoiles, rendant compte des anomalies des abondances d'oxygène, d'azote, de sodiumsodium ou encore d'aluminiumaluminium qui sont en effet différentes d'une étoile à l'autre dans les amas.

Or, comme l'explique dans un communiqué de l'Unige Corinne Charbonnel, professeure ordinaire au Département d'astronomie de la Faculté des sciences de l'Unige, et première auteure de l'étude avec son collègue Nicolas Prantzos de l'IAP, « aujourd'hui, grâce aux données collectées par le télescope spatial James-Webbtélescope spatial James-Webb, nous pensons avoir trouvé un premier indice de la présence de ces étoiles extraordinaires ».

Revenons maintenant aux observations du télescope James-Webb concernant dans l'infrarougeinfrarouge la galaxie GN-z11 qui est observée telle qu'elle était il y a 13,3 milliards d'années. Son cœur est particulièrement compact et tout indique qu'il est entouré d'amas globulaires en formation. Les chercheurs pensent qu'ils avaient déjà été « pollués » par les étoiles supermassives qu'ils ont commencé à modéliser en 2018.

En effet, toujours dans le communiqué de l'Unige, « il a été établi que cette galaxie abritait de très fortes proportions d'azote et une très forte densité d'étoiles », y déclare  Daniel Schaerer, coauteur de l'étude et professeur associé au Département d'astronomie de la Faculté des sciences de l'Unige. « La forte présence d'azote ne peut en effet s'expliquer que par la combustioncombustion d'hydrogènehydrogène à des températures extrêmement élevées, que seul le cœur des étoiles supermassives peut atteindre, comme le montrent les modèles de Laura Ramirez-Galeano, étudiante en Master dans notre équipe », y ajoute  Corinne Charbonnel.