Le VLT a débusqué les cendres des premières étoiles

En 1950, dans une des quatre conférences publiques intitulées  « La science comme élément constitutif de l’Humanisme », Erwin SchrödingerErwin Schrödinger, l’un des fondateurs de la mécanique quantique, ayant travaillé aussi bien à l'élucidation de la nature de la vie qu'à l'apparition de la matière dans un modèle de cosmologie relativiste, déclarait : « Je suis né dans un environnement, je ne sais pas d'où je suis venu ni où je vais ni qui je suis. C'est ma situation comme la vôtre, à chacun d'entre vous. Le fait que chaque Homme ait toujours été dans cette même situation et s'y trouvera toujours ne m'apprend rien. Tout ce que nous pouvons observer nous-mêmes à propos de la brûlante question relative à notre origine et notre destination, c'est l'environnement présent. C'est pourquoi nous sommes avides de trouver à son sujet tout ce que nous pouvons. Voilà en quoi consiste la science, le savoir, la connaissance, voilà quelle est la véritable source de tout effort spirituel de l'Homme. Nous essayons de découvrir tout ce que nous pouvons au sujet du contexte spatial et temporel dans lequel notre naissance nous a situés. Et dans cet effort, nous trouvons de la joie, nous le trouvons extrêmement intéressant (ne serait-ce pas là le but pour lequel nous sommes ici ?) ».

L’un des pères de la mécanique quantique, le prix Nobel de physique Erwin Schrödinger. Sa mécanique des ondes de matière gouvernées par l’équation portant son nom a permis de comprendre les propriétés des atomes et des molécules. Il a découvert avec Einstein, en 1935, le phénomène d’intrication quantique impliqué par son équation. Erwin Schrödinger était aussi un passionné de philosophie, en particulier celle du vedanta. © Cern

L'astrophysique nucléaire, la clé de la cosmochimie

Dans la droite ligne des réflexions du prix Nobel de physique et puisque nous savons que nous sommes des poussières d’étoiles, on comprend la fascination que peut exercer l'idée de trouver des traces cosmochimiques des premières étoiles après le Big BangBig Bang, des étoiles qui n'existent plus ni ne se forment plus depuis un peu plus de 13 milliards d'années.

L'astrophysique nucléaire nous a en effet également appris de plus en plus clairement à partir des années 1950 (voir le traité très connu de Clayton) que les noyaux plus lourds que ceux des isotopes de l'hydrogènehydrogène, de l'héliumhélium et du lithiumlithium sont nés progressivement par nucléosynthèsenucléosynthèse stellaire au cœur de générations successives d'étoiles explosant en supernovaesupernovae et injectant dans le milieu interstellaire où naîtront de nouvelles étoiles ces nouveaux éléments chimiqueséléments chimiques. Supernovae dont les plus spectaculaires ont dû se produire pendant quelques centaines de millions d'années au début de l'histoire de l'UniversUnivers observable il y a environ 13,5 milliards d'années (l'Univers étant âgé d'un peu plus de 13,7 milliards d'années).

Elles étaient alors le chantchant de cygne des premières étoiles, des astresastres différents de ceux que l'on observe aujourd'hui dans la Galaxie car sans carbonecarbone ou oxygèneoxygène et, selon toute vraisemblance, bien plus massives, au moins des centaines de fois plus que le SoleilSoleil et sans doute des milliers, voire des dizaines de milliers, au point peut-être de donner naissance aux graines des trous noirs supermassifs.

Les traces cosmochimiques de ces béhémoths, une équipe internationale de chercheurs vient peut-être de les découvrir si l'on en croit un communiqué de l'ESOESO accompagnant la publication d'un article dans The Astrophysical Journal. « Pour la première fois, nous avons pu identifier les traces chimiques des explosions des premières étoiles dans des nuagesnuages de gazgaz très lointains », y explique ainsi Andrea Saccardi, doctorant à l'Observatoire de Paris - PSL, qui a mené cette étude dans le cadre de son mémoire de maîtrise à l'Université de Florence et en utilisant les observations rendues possibles par le Very Large TelescopeVery Large Telescope (VLT) de l'ESO.

Ce diagramme illustre comment les astronomes peuvent analyser la composition chimique de nuages de gaz lointains en utilisant la lumière d'un objet d'arrière-plan tel qu'un quasar comme balise. Lorsque la lumière du quasar traverse le nuage de gaz, les éléments chimiques qu'il contient absorbent différentes couleurs ou longueurs d'onde, laissant des lignes sombres dans le spectre du quasar. Chaque élément laisse un ensemble différent de raies, de sorte qu'en étudiant le spectre, les astronomes peuvent déterminer la composition chimique du nuage de gaz intermédiaire. © ESO, L. Calçada

Des abondances chimiques trahies par la lumière des quasars

Aujourd'hui, les miroirsmiroirs du VLT livrent des photonsphotons provenant de trois nuages de gaz très éloignés, observés lorsque l'Univers n'avait que 10 à 15 % de son âge actuel, et dont les abondances chimiques, déduites du spectrespectre de la lumièrelumière provenant de lointains quasars ayant traversé ces nuages, sont conformes à celles prédites par les réactions thermonucléaires théorisées au cœur des premières étoiles, réactions suivies de celles donnant les premières supernovae.

Les traces cosmochimiques attendues concernaient le carbone, l'oxygène et le magnésiummagnésium et dans une moindre mesure le ferfer et elles ont été déduites des analyses rendues possibles avec l'instrument X-shooter du VLT.

Le communiqué de l'ESO se conclut en expliquant que les études vont se poursuivre sur ces traces et qu'elles seront révolutionnées par la prochaine génération de télescopestélescopes et d'instruments, comme le futur Extremely Large TelescopeExtremely Large Telescope (ELT) de l'ESO et son spectrographespectrographe à haute résolutionrésolution ArmazoNes high Dispersion Echelle Spectrograph (ANDES). « Avec ANDES sur l'ELT, nous serons en mesure d'étudier plus en détail un grand nombre de ces rares nuages de gaz, et nous pourrons enfin découvrir la nature mystérieuse des premières étoiles », ajoute ainsi Valentina D'Odorico, chercheuse à l'Institut national d'astrophysique en Italie et co-auteure de l'étude.