Surprise : l’univers contiendrait bien plus d’étoiles massives que prévu

Dans la nébuleuse de la Tarentule, un groupe d’astrophysiciens a eu une surprise : la proportion d’étoiles massives de cette pouponnière stellaire est étonnamment élevée. Ce qui impliquerait de revoir à la hausse la quantité de supernovae et de trous noirs massifs.

Étoiles et galaxies sont liées par des relations complexes, à l’image de celle des cellules à l’organisme entier. Les étoiles naissent en effet dans le milieu gazeux des galaxies qu’elles font chimiquement évoluer en retour, notamment lorsqu’elles explosent en supernovae, ce qui produit des conditions plus favorables à la naissance de nouvelles étoiles.

Le souffle du rayonnement des étoiles fait lui aussi évoluer la formation de nouveaux soleils ainsi que les molécules et les poussières des nuages interstellaires. Ce souffle a probablement joué aussi un rôle lors des premières centaines de millions d’années du cosmos observable quand sont nées les premières étoiles. On pense qu’elles étaient très massives, au moins de l’ordre de 100 masses solaires, et que leur rayonnement a contribué à re-ioniser la matière devenue neutre au moment de l’émission du rayonnement fossile, faisant sortir le Cosmos de la période des Âges Sombres au cours de la Renaissance cosmique. Enfin, ces astres ont produit les premiers noyaux d’oxygène, de carbone et d’azote. La naissance des étoiles massives est donc une clé pour comprendre l’évolution de l’Univers du Big Bang au vivant.

Au milieu des années 1950 le grand astrophysicien Edwin Salpeter a proposé une loi empirique donnant le nombre d’étoiles d’une masse donnée et nouvellement formées sur la séquence principale, en particulier celles qui sont plus massives que le Soleil. C’est la fonction initiale de masse (IMF, Initial Mass Function). On cherche aujourd’hui à la comprendre et surtout à savoir si elle est vraiment universelle. Les travaux menés jusqu’à présent aboutissaient à la conclusion que seulement 1 % des étoiles d’une pouponnière stellaire naissent avec des masses supérieures à dix fois celle du Soleil. Mais cette conclusion est remise en question par une équipe internationale d’astronomes partie à la chasse aux étoiles massives dans la nébuleuse de la Tarentule, située dans le Grand nuage de Magellan.

Nébuleuse de la Tarentule

La nébuleuse de la Tarentule vue par Hubble (Source : NASA).

Comme ils l’expliquent dans un article publié dans Science, les chercheurs ont travaillé dans le cadre du VFTS (VLT-FLAMES Tarantula Survey), une campagne d’observation menée avec le VLT de l’ESO. Les étoiles massives sont rares et elles évoluent très rapidement, en quelques millions d’années tout au plus, et il est donc difficile de les débusquer pour préciser leur importance exacte dans le spectre de masses que donne l’IMF. Observer une région à sursauts de formation d’étoiles, où, donc, le taux de création d’étoiles est anormalement élevé, est une bonne stratégie. C’est le cas de la nébuleuse de la Tarentule qui, de plus, est proche de la Voie lactée et se trouve être la plus importante connue dans les galaxies du Groupe local.

Les astrophysiciens ont eu plusieurs surprises. Tout d’abord, parmi les presque 1.000 étoiles massives qu’ils ont étudiées, dont 250 environ de façon plus attentive, certaines atteignaient les 200 masses solaires, alors que beaucoup doutaient que ce soit possible. Si tel est bien le cas, cela voudrait dire que la limite de masses des étoiles se situe très probablement entre 200 et 300 masses solaires. Enfin, il y avait plus d’étoiles massives contenant au moins 30 masses solaires que ne le laissait prévoir l’IMF standard.

Cette découverte a plusieurs implications, comme l’explique Fabian Schneider, chercheur au Département de physique de l’université d’Oxford. « Nos résultats ont des conséquences profondes pour la compréhension du Cosmos. Il pourrait exister 70 % de plus de supernovae, un triplement de la production chimique des éléments par la nucléosynthèse stellaire et une production quatre fois plus importante de rayonnement ultraviolet ionisant par les populations d’étoiles massives. De plus, le taux de formation des trous noirs pourrait être augmenté de 180 %, ce qui se traduirait directement par une augmentation correspondante des fusions de trous noirs binaires qui ont été récemment détectées via leurs signaux d’ondes gravitationnelles. »

Les astrophysiciens avaient d’ailleurs été étonnés par les masses importantes des premières fusions d’étoiles binaires détectées par Ligo. Peut-être ne faut-il pas faire d’hypothèses exotiques, comme celle des trous noirs primordiaux, pour expliquer l’existence de ces sources d’ondes gravitationnelles.

Source : Futura-Sciences

Vous pouvez consulter, sur le site d’Archipel des Sciences, les expositions « Initiation à l’astronomie » et « Promenade spatiale au fil des ondes« , ainsi que la page Astronomie/Physique.

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