Depuis des milliards d'années dans la Voie lactée, mais pas pendant les premières centaines de millions d'années après le Big Bang, les étoiles se forment par effondrement gravitationnel et fragmentation d'un nuage d'atomes d'hydrogène et d'hélium pour l'essentiel saupoudré, et de poussières et d'atomes plus lourds comme le carbone, l'oxygène et l'azote.

Ce processus n'est pas sans problèmes. En effet, en se contractant, la matière chauffe et la pression pouvant s'opposer à l'effondrement peut croître, théoriquement au point de stopper l'effondrement et la naissance de nouvelles étoiles ! Heureusement, les poussières chauffées se mettent à rayonner dans l'infrarouge et évacuent ainsi suffisamment de chaleur pour assurer finalement la formation stellaire.

Oui, mais voilà, ce sont les grosses étoiles qui peuvent synthétiser les éléments formant les poussières par des réactions de fusion thermonucléaire à partir des noyaux d'hydrogène et d'hélium. C'est le dilemme de l'œuf et de la poule ! Il faut des poussières pour faire naître des poussières.

Depuis 13,8 milliards d’années, l’Univers n’a cessé d’évoluer. Contrairement à ce que nous disent nos yeux lorsque l’on contemple le ciel, ce qui le compose est loin d’être statique. Les physiciens disposent des observations à différents âges de l’Univers et réalisent des simulations dans lesquelles ils rejouent sa formation et son évolution. Il semblerait que la matière noire ait joué un grand rôle depuis le début de l’Univers jusqu’à la formation des grandes structures observées aujourd’hui. © CEA Recherche

Des écoulements turbulents supersoniques

Toutefois, on pensait que des nuages formés de molécules d'hydrogène possédaient pour cette raison un autre radiateur naturel pouvant assurer la naissance des étoiles sans poussières. Il fallait cependant admettre que ces astres formant ce que l'on appelle des populations d'étoiles de type III (notre Soleil étant une étoile de population I selon la terminologie créée initialement en 1944 par Wilhelm Heinrich Walter Baade, un astronome états-unien d'origine allemande) devaient être beaucoup plus massifs en moyenne (des centaines de fois plus que le Soleil) que ceux des pouponnières actuelles d'étoiles.

On aurait tout faux si l'on en croit une étude novatrice dirigée par le Dr Ke-Jung Chen, de l'Institut d'astronomie et d'astrophysique de l'Academia Sinica et dont on peut prendre connaissance du contenu dans l'article en accès libre sur arXiv (les résultats ont été publiés dans le dernier numéro de The Astrophysical Journal).

C'est la conclusion a laquelle est arrivée l'équipe d'astronomes qui a conduit des simulations plus précises du comportement de matière ordinaire plongée dans des mini-halos de matière noire.

Au cœur de l'un des mini-halos, deux îlots de gaz dense et lumineux se détachent au sein du nuage primordial turbulent. Ces structures sont façonnées par de violents mouvements supersoniques – des tempêtes cosmiques qui brassaient le gaz dans les toutes premières régions de formation d'étoiles de l'Univers. À mesure que ces amas accumulent de la matière issue de leur environnement, ils devraient s'effondrer et donner naissance à la génération suivante de premières étoiles. Leur masse finale pourrait déterminer la taille maximale que ces étoiles antiques peuvent atteindre. © ASIAA, Meng-Yuan Ho & Pei-Cheng Tung

Des étoiles moins massives et plus petites

Il s'est avéré qu'il existait du fait de ces halos des écoulements de matière ordinaire très turbulents et avec des vitesses supersoniques modifiant profondément les conditions de formation des premières étoiles.

Au final, au  lieu de s'effondrer régulièrement pour former une seule étoile géante, le gaz turbulent pour donner des étoiles ne contenait que quelques masses solaires, tandis que d'autres atteignaient plusieurs dizaines de masses solaires. Cela suggère que les premières étoiles ont pu être plus petites et plus variées qu'on ne le pensait jusqu'ici.

Ces résultats sont à rapprocher du fait que l'on sait depuis longtemps que certaines étoiles anciennes dans la Voie lactée conservent les signatures chimiques des toutes premières explosions de supernovae. Or, nombre de ces signatures indiquaient de manière surprenante que les premières étoiles étaient moins massives que ne le prévoyaient les anciens modèles.