Les premières étoiles ont illuminé l’univers lors de l’Aube Cosmique et ont mis fin aux « âges sombres » cosmiques qui ont suivi le Big Bang. Cependant, la répartition de leur masse est l’un des grands mystères non résolus du cosmos.
Des simulations numériques de la formation des premières étoiles estiment que la masse des premières étoiles a atteint jusqu’à plusieurs centaines de masses solaires. Parmi elles, les premières étoiles avec des masses comprises entre 140 et 260 masses solaires se sont transformées en supernovae à instabilité de paires (PISNe). Les PISNe sont assez différentes des supernovae ordinaires (c’est-à-dire les supernovae de type II et de type Ia) et auraient imprimé une signature chimique unique dans l’atmosphère des étoiles de la prochaine génération. Cependant, aucune signature de ce type n’a été trouvée.
Une nouvelle étude dirigée par le professeur Zhao Gang des Observatoires astronomiques nationaux de l’Académie chinoise des sciences (NAOC) a identifié une étoile chimiquement particulière (LAMOST J1010 + 2358) dans le halo galactique comme preuve claire de l’existence de PISNe à partir de particules très massives. premières étoiles dans l’univers primitif, sur la base de l’enquête du télescope spectroscopique à fibre multi-objets de la grande zone du ciel (LAMOST) et de l’observation de suivi des spectres à haute résolution par le télescope Subaru. Il a été confirmé que cette étoile s’est formée dans le nuage de gaz dominé par les rendements d’un PISN de 260 masses solaires.
L’équipe comprend également des chercheurs des observatoires du Yunnan du CAS, de l’Observatoire astronomique national du Japon et de l’Université Monash, en Australie.
Cette étude a été publiée en ligne dans Nature.
L’équipe de recherche a effectué une observation spectroscopique à haute résolution de suivi pour J1010 + 2358 avec le télescope Subaru et a dérivé des abondances pour plus de dix éléments. La caractéristique la plus significative de cette étoile est son abondance extrêmement faible de sodium et de cobalt. Son rapport sodium/fer est inférieur à 1/100 de la valeur solaire. Cette étoile présente également une très grande variance d’abondance entre les éléments à numéro de charge pair et impair, tels que le sodium/magnésium et le cobalt/nickel.
« La variance paire impaire particulière, ainsi que les carences en sodium et en éléments α dans cette étoile, sont cohérentes avec la prédiction du PISN primordial des étoiles de première génération avec 260 masses solaires », a déclaré le Dr Xing Qianfan, premier auteur de la étude.
La découverte de J1010+2358 est une preuve directe de l’instabilité hydrodynamique due à la production de paires électron-positon dans la théorie de l’évolution des étoiles très massives. La création de paires électron-positon réduit la pression thermique à l’intérieur du cœur d’une étoile très massive et conduit à un effondrement partiel.
« Il fournit un indice essentiel pour contraindre la fonction de masse initiale dans l’univers primitif », a déclaré le professeur Zhao Gang, auteur correspondant de l’étude. « Avant cette étude, aucune preuve de supernovae d’étoiles aussi massives n’a été trouvée dans les étoiles pauvres en métaux. »
De plus, l’abondance en fer de LAMOST J1010+2358 ([Fe/H] = -2,42) est beaucoup plus élevée que les étoiles les plus pauvres en métaux du halo galactique, ce qui suggère que les étoiles de deuxième génération formées dans le gaz dominé par le PISN pourraient être plus riches en métaux que prévu.
« L’un des Saint Graal de la recherche d’étoiles pauvres en métaux est de trouver des preuves de ces premières supernovae à instabilité de paires », a déclaré le professeur Avi Loeb, ancien directeur du département d’astronomie de l’Université de Harvard.
Le professeur Timothy Beers, président de la chaire d’astrophysique de l’Université Notre-Dame, a commenté les résultats : « Cet article présente ce qui est, à ma connaissance, la première association définitive d’une étoile à halo galactique avec un modèle d’abondance provenant d’un PISN. »
Plus d’information:
Zhao Gang et al, Une étoile pauvre en métaux avec des abondances d’une supernova à instabilité de paires, Nature (2023). DOI : 10.1038/s41586-023-06028-1