Des étoiles extrêmement massives ont forgé les plus anciens amas stellaires de l'Univers.
Une équipe d'astronomes de l'ICREA, de l'Institut des sciences cosmiques de l'Université de Barcelone (ICCUB), de l'Institut d'études spatiales de Catalogne (IEEC) et de l'Université de Genève (UNIGE) a mis au point un modèle révolutionnaire qui révèle comment les étoiles extrêmement massives (EMS) – plus de 1 000 fois la masse du Soleil – ont façonné la naissance et l'évolution initiale des plus anciens amas stellaires de l'Univers. Publiée dans les Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, l'étude montre comment ces géantes stellaires à la durée de vie éphémère ont profondément influencé la chimie des amas globulaires.
Amas globulaires : les archives anciennes de l'Univers
Les amas globulaires sont des groupes denses et sphériques de centaines de milliers, voire de millions d'étoiles, présents dans presque toutes les galaxies, y compris notre Voie lactée. La plupart d'entre eux ont plus de 10 milliards d'années, ce qui implique qu'ils se sont formés peu après le Big Bang. Leurs étoiles présentent des signatures chimiques énigmatiques – notamment des abondances inhabituelles d'hélium, d'azote, d'oxygène, de sodium, de magnésium et d'aluminium – qui restent inexpliquées depuis des décennies. Ces « populations multiples » suggèrent des processus d'enrichissement complexes, lors de la formation des amas, à partir d'« étoiles polluantes » extrêmement chaudes.
Un nouveau modèle de formation de clusters
Cette nouvelle étude s'appuie sur le modèle d'afflux inertiel de la formation des étoiles massives, en l'étendant aux environnements extrêmes de l'Univers primordial. Les chercheurs démontrent que dans les amas les plus massifs, le gaz turbulent donne naturellement naissance à des étoiles extrêmement massives (EEM) dont la masse varie entre 1 000 et 10 000 masses solaires. Ces EEM en accrétion libèrent de puissants vents stellaires riches en produits de la combustion de l'hydrogène à haute température, qui se mélangent ensuite au gaz primordial environnant pour former des étoiles chimiquement distinctes.
« Notre modèle montre que quelques étoiles extrêmement massives suffisent à laisser une empreinte chimique durable sur un amas entier », explique Mark Gieles, professeur ICREA à l'ICCUB et premier auteur de l'étude. « Il établit enfin un lien entre la physique de la formation des amas globulaires et les signatures chimiques que nous observons aujourd'hui. »
Ce processus se déroule rapidement – en l’espace de 1 à 2 millions d’années – avant toute explosion de supernovae, garantissant ainsi que le gaz de l’amas reste exempt de pollution par les supernovae.
« Nous savions que les étoiles extrêmement massives produiraient les profils d’abondance chimique adéquats grâce aux réactions nucléaires qui se produisent en leur cœur. Le modèle offre désormais une explication naturelle de la formation de ces étoiles au sein d’amas stellaires très denses et compacts », ajoute Laura Ramirez Galeano, doctorante au département d’astronomie de l’UNIGE et co-auteure de l’article.
Une nouvelle fenêtre sur l'Univers primordial et les trous noirs
Les implications de cette découverte dépassent largement le cadre de la Voie lactée. Les auteurs suggèrent que les galaxies riches en azote découvertes par le télescope spatial James Webb (JWST) sont probablement dominées par des amas globulaires riches en étoiles massives (EMS) qui se sont formés lors des toutes premières étapes de l'assemblage des galaxies.
Ces premières galaxies pourraient avoir été façonnées par des étoiles extrêmement massives. Ces étoiles colossales ont vraisemblablement terminé leur vie en s'effondrant pour former des trous noirs de masse intermédiaire (plus de 100 masses solaires), qui pourraient être détectés grâce aux ondes gravitationnelles. Cette recherche propose un cadre unificateur reliant la physique de la formation stellaire, l'évolution des amas et l'enrichissement chimique. Elle suggère que les étoiles massives ont joué un rôle essentiel dans la formation des premières galaxies, enrichissant simultanément les amas globulaires et donnant naissance aux premiers trous noirs.
« Plusieurs de ces galaxies primitives ont été découvertes par nos collègues du département d'astronomie de l'UNIGE et nous sommes déterminés à poursuivre l'étude de leurs mystères. » conclut Corinne Charbonnel, professeure au département d’astronomie de l’UNIGE et co-autrice de l’étude.