Dans les galaxies comme la Voie lactée, les étoiles ne se forment généralement pas de manière isolée. Leur naissance débute au cœur d'immenses nuages moléculaires composés principalement de poussières, d'hydrogène et d'autres gaz froids. Sous l'effet de la gravité, certaines régions plus denses de ces nuages, appelés nébuleuses, commencent à s'effondrer sur elles-mêmes. La matière s'y accumule progressivement jusqu'à atteindre des températures et des pressions suffisantes pour déclencher la fusion nucléaire : une étoile vient alors de naître.

Mais ce processus produit rarement une seule étoile. Les nuages géants se fragmentent en de multiples noyaux, donnant naissance à des groupes parfois composés de dizaines, de centaines, voire de milliers d'étoiles. Ces ensembles sont appelés des amas stellaires. Dans notre Galaxie, plusieurs amas ouverts sont bien connus des astronomes amateurs comme professionnels.

Les Pléiades, visibles à l'œil nu dans la constellation du Taureau, constituent probablement l'exemple le plus célèbre. La nébuleuse d’Orion abrite elle aussi un très jeune amas d'étoiles en pleine formation. Les étoiles au sein des amas ouverts sont généralement relativement jeunes (quelques centaines de millions d'années) : au fil du temps, les étoiles s'éloignent les unes des autres, et les amas « s'évaporent ».

Les étoiles d'un même amas se forment généralement au même moment et à partir du même nuage de gaz. Elles constituent donc de véritables laboratoires naturels permettant de comparer l'influence de la masse, de la température ou du rayonnement sur l'évolution stellaire. Mais les premières étapes de leur existence restent difficiles à observer, car dans leur phase d'évolution précoce, les jeunes étoiles demeurent enfouies dans leur cocon de gaz et de poussières, qui absorbe une grande partie de la lumière visible. 

James-Webb et Hubble observent la sortie des amas de leur cocon

C'est précisément ce qu'a permis une nouvelle étude publiée dans la revue Nature Astronomy. En combinant les capacités du télescope spatial James-Webb dans l'infrarouge avec celles du télescope Hubble dans le visible, les chercheurs ont étudié près de 9 000 jeunes amas stellaires répartis dans quatre galaxies situées à moins de 30 années-lumière de la Voie lactée (M51, M83, NGC 628 et NGC 4449), afin de suivre l'évolution des amas au moment où ils émergent progressivement de leur nuage natal.

Cette image montre les quatre galaxies observées dans l'étude : M51 en haut à gauche, M83 en haut à droite, NGC 4449 en bas à gauche et NGC 628 en bas à droite. © ESA-Webb, Nasa & CSA, A. Pedrini, A. Adamo (Stockholm University) et l'équipe Feast JWST

Le télescope James-Webb joue ici un rôle crucial. Grâce à sa vision infrarouge extrêmement sensible, il peut détecter des amas encore profondément cachés dans la poussière. Hubble, de son côté, observe les amas déjà dégagés de leur environnement gazeux dans la lumière visible. En comparant ces observations, les astronomes peuvent reconstruire les différentes étapes de la naissance des amas.

Les résultats montrent un phénomène particulièrement intéressant : les amas les plus massifs expulsent leur gaz beaucoup plus rapidement que les amas moins massifs. Ainsi, plus un amas contient d'étoiles massives, plus il parvient vite à disperser la nébuleuse qui l'entoure, notamment du fait des rayonnements intenses et des vents stellaires capables de chauffer, ioniser et repousser le gaz environnant. Peu à peu, la nébuleuse se disperse dans l'espace interstellaire.

L'étude apporte également des informations importantes sur la manière dont les galaxies évoluent. Les étoiles massives jouent un rôle majeur dans le recyclage du gaz interstellaire : elles enrichissent leur environnement en éléments chimiques lourds et modifient profondément la dynamique des nuages voisins. Comprendre à quelle vitesse elles dissipent leur cocon aide donc à mieux modéliser l'évolution des galaxies dans leur ensemble.

Section d'une spirale de M51, l’une des quatre galaxies étudiées, telle qu’observée par la caméra proche infrarouge (NIRCam) du télescope spatial James-Webb. Les amas de gaz où se forment les étoiles apparaissent en orange. © ESA-Webb, Nasa & CSA, A. Pedrini, A. Adamo (Stockholm University) et l'équipe Feast JWST

Une découverte importante pour comprendre l’évolution des galaxies

Ces travaux ont également des implications sur notre compréhension de la formation des systèmes planétaires, le gaz présent autour des jeunes étoiles servant de matière première à la naissance des planètes. Si ce gaz disparaît trop rapidement sous l'effet du rayonnement des étoiles massives, certaines planètes pourraient ne jamais avoir le temps de se former. Les astronomes cherchent donc désormais à mieux comprendre le lien entre l'environnement d'un amas et les chances d'apparition de systèmes planétaires stables.

Les auteurs pensent également que ce mécanisme pourrait aider à expliquer un événement majeur de l'histoire cosmique : la réionisation de l'Univers. Quelques centaines de millions d'années après le Big Bang, les premières générations d'étoiles auraient progressivement rendu l'Univers transparent à la lumière en ionisant le gaz intergalactique. Des amas massifs capables d'expulser rapidement leur gaz pourraient avoir facilité l'échappement du rayonnement ultraviolet vers l'espace.

Les futures observations devraient permettre d'étudier davantage de galaxies et de préciser le rôle exact de la masse, du rayonnement et de l'environnement dans l'évolution des amas stellaires. Une manière, aussi, de mieux comprendre comment notre propre Soleil est né il y a environ 4,6 milliards d'années au sein d'un ancien amas aujourd'hui disparu.