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Selon une nouvelle étude, les premières étoiles du cosmos pourraient avoir atteint une masse plus de 10 000 fois supérieure à celle du soleil, soit environ 1 000 fois plus que les plus grosses étoiles actuelles ;
De nos jours, les plus grosses étoiles ont une masse de 100 masses solaires. Mais l'univers primitif était un endroit bien plus exotique, rempli d'étoiles méga-géantes qui vivaient vite et mouraient très, très jeunes, ont découvert les chercheurs.
Et une fois que ces géants condamnés se sont éteints, les conditions n'étaient jamais réunies pour qu'ils se reforment.
L'âge des ténèbres cosmique
Il y a plus de 13 milliards d'années, peu de temps après le Big Bang, l'univers n'avait pas d'étoiles. Il n'y avait rien de plus qu'une soupe chaude de gaz neutre, presque entièrement composée d'hydrogène et d'hélium. Cependant, au cours de centaines de millions d'années, ce gaz neutre a commencé à s'accumuler pour former des boules de matière de plus en plus denses. Cette période est connue comme l'âge sombre cosmique.
Dans l'univers actuel, les boules de matière denses s'effondrent rapidement pour former des étoiles. Mais c'est parce que l'univers moderne possède quelque chose qui manquait à l'univers primitif : beaucoup d'éléments plus lourds que l'hydrogène et l'hélium. Ces éléments sont très efficaces pour évacuer l'énergie par rayonnement. Cela permet aux amas denses de rétrécir très rapidement et de s'effondrer à des densités suffisamment élevées pour déclencher la fusion nucléaire, le processus qui alimente les étoiles en combinant des éléments plus légers en éléments plus lourds.
Mais le seul moyen d'obtenir des éléments plus lourds est ce même processus de fusion nucléaire. De multiples générations d'étoiles se formant, fusionnant et mourant ont enrichi le cosmos jusqu'à son état actuel.
Sans la capacité de libérer rapidement de la chaleur, la première génération d'étoiles a dû se former dans des conditions bien différentes et bien plus difficiles. ;
Fronts froids
Pour comprendre l'énigme de ces premières étoiles, une équipe d'astrophysiciens s'est tournée vers des simulations informatiques sophistiquées de l'âge sombre pour comprendre ce qui se passait à l'époque. Ils ont présenté leurs conclusions en janvier dans un article publié sur la base de données arXiv et soumis à l'examen des pairs dans les Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Les nouveaux travaux présentent tous les ingrédients cosmologiques habituels : la matière noire qui contribue à la croissance des galaxies, l'évolution et l'agglutination du gaz neutre, et le rayonnement qui peut refroidir et parfois réchauffer le gaz. Mais les travaux de l'équipe comprennent un élément qui fait défaut à d'autres chercheurs : des fronts froids, c'est-à-dire des courants de matière refroidie qui se déplacent rapidement et qui se heurtent à des structures déjà formées.
Les chercheurs ont découvert qu'un réseau complexe d'interactions a précédé la première formation d'étoiles. Le gaz neutre a commencé à se rassembler et à s'agglomérer. L'hydrogène et l'hélium ont dégagé un peu de chaleur, ce qui a permis aux amas de gaz neutre d'atteindre lentement des densités plus élevées.
Mais les amas à haute densité sont devenus très chauds, produisant un rayonnement qui a brisé le gaz neutre et l'a empêché de se fragmenter en de nombreux amas plus petits. Cela signifie que les étoiles formées à partir de ces amas peuvent devenir incroyablement grandes.
Étoiles supermassives
Ces interactions en va-et-vient entre le rayonnement et le gaz neutre ont donné naissance à des bassins massifs de gaz neutre, les prémices des premières galaxies. Le gaz présent au cœur de ces proto-galaxies a formé des disques d'accrétion en rotation rapide, c'est-à-dire des anneaux de matière à écoulement rapide qui se forment autour d'objets massifs, notamment les trous noirs de l'univers moderne ;
Pendant ce temps, sur les bords extérieurs des proto-galaxies, des fronts froids de gaz s'abattaient. Les fronts les plus froids et les plus massifs ont pénétré les proto-galaxies jusqu'au disque d'accrétion.
Ces fronts froids se sont abattus sur les disques, augmentant rapidement leur masse et leur densité jusqu'à un seuil critique, permettant ainsi l'apparition des premières étoiles.
Ces premières étoiles n'étaient pas n'importe quelles usines de fusion normales. Il s'agissait de gigantesques amas de gaz neutres allumant leurs noyaux de fusion d'un seul coup, sans passer par l'étape où ils se fragmentent en petits morceaux. La masse stellaire résultante était énorme.
Ces premières étoiles auraient été incroyablement brillantes et auraient vécu une vie extrêmement courte, moins d'un million d'années. (Dans l'univers moderne, les étoiles peuvent vivre des milliards d'années). Après cela, elles seraient mortes dans de furieuses explosions de supernova ;
Ces explosions auraient transporté les produits des réactions de fusion interne, c'est-à-dire des éléments plus lourds que l'hydrogène et l'hélium, qui ont ensuite donné naissance à la prochaine série de formations stellaires. Mais désormais contaminé par des éléments plus lourds, le processus n'a pas pu se répéter et ces monstres n'apparaîtront plus jamais sur la scène cosmique.
