Fer et magnésium près d’un quasar : une possible trace de supernova primordiale

Une explosion stellaire survenue dans l’Univers primordial pourrait avoir laissé une trace chimique autour d’un quasar lointain. L’indice n’est pas une image de l’étoile ou de son explosion, mais un rapport entre deux éléments mesuré dans la lumière du gaz qui entoure le quasar ULAS J1342+0928. Dans une publication de vulgarisation datée du 28 septembre 2022, le NOIRLab a expliqué pourquoi cette composition a conduit à envisager une possible supernova à instabilité de paires, un type d’explosion associé aux étoiles très massives de la première génération cosmique.

Cette interprétation relie une observation spectrale à des modèles sur la mort des étoiles et la production des éléments. Mais le récit du NOIRLab lui-même la présente comme une possibilité qui nécessite de nouvelles observations pour être vérifiée.

Un quasar de l’Univers primordial

Un quasar est un objet très lointain dont l’environnement peut être étudié à partir de la lumière que nous recevons. L’objet analysé, ULAS J1342+0928, figure parmi les quasars connus les plus anciens et les plus lointains. Selon le NOIRLab, la lumière que nous observons a été émise il y a environ 13,1 milliards d’années, moins de 690 millions d’années après le Big Bang.

Dans ce contexte, rechercher des signaux des premières étoiles permet d’étudier l’apparition des éléments chimiques. Les astronomes appellent étoiles de Population III les astres de cette première génération. La source explique que cette appellation distingue des populations stellaires ordonnées à rebours dans le temps : la Population III correspond aux étoiles les plus anciennes.

L’analyse reposait sur un spectre obtenu avec le télescope Gemini North, à Hawaï, au moyen de son spectrographe infrarouge GNIRS. Un spectre sépare la lumière en ses différentes longueurs d’onde. Certaines caractéristiques de ces longueurs d’onde permettent de reconnaître les éléments présents dans la matière observée. Estimer la quantité de chaque élément est plus complexe : l’intensité d’un signal dépend aussi d’autres facteurs, et pas seulement de l’abondance de l’élément qui le produit.

L’indice chimique : le fer et le magnésium

Pour interpréter les signaux, l’équipe a appliqué une méthode mise au point en 2017 par Yuzuru Yoshii et Hiroaki Sameshima, qui permet de convertir l’intensité des caractéristiques spectrales en estimations d’abondance. En l’appliquant au spectre du quasar, elle a trouvé un rapport fer/magnésium environ dix fois supérieur au rapport solaire. Autrement dit, la quantité relative de magnésium par rapport au fer était inhabituellement faible.

Cette comparaison est importante car, selon l’explication relayée par le NOIRLab, les modèles théoriques d’une supernova à instabilité de paires prédisent un faible rapport magnésium/fer. La composition du gaz autour du quasar était donc évocatrice : elle pouvait conserver de la matière enrichie par une explosion de ce type.

La proposition ne reposait pas uniquement sur le rapport chimique. Le quasar s’est formé très tôt dans l’histoire de l’Univers, à une époque où la matière issue de différentes explosions avait eu moins de temps pour se mélanger. La combinaison de cet âge et du signal chimique a conduit à proposer que le gaz environnant puisse contenir les vestiges de l’explosion d’une étoile de Population III.

Que signifie une supernova à instabilité de paires ?

Selon le NOIRLab, ce type de supernova pourrait représenter la fin naturelle d’étoiles dont la masse se situe entre 150 et 300 fois celle du Soleil. Le mécanisme décrit commence dans le cœur stellaire : les photons se transforment en paires d’électrons et de positrons, des particules de matière et d’antimatière. Cette transformation réduit l’énergie qui soutient l’étoile contre sa propre gravité. La gravité peut alors l’emporter, provoquer l’effondrement et déclencher l’explosion.

L’équipe a comparé le signal du quasar aux modèles de ces explosions. Yoshii a indiqué qu’une supernova provenant d’une étoile d’environ 300 masses solaires produisait un rapport magnésium/fer conforme à la faible valeur estimée pour le quasar. Cette concordance étayait l’interprétation, mais ne permettait pas à elle seule d’identifier une explosion observée directement : les éléments de preuve décrits sont la composition de la matière qui entoure le quasar.

L’hypothèse rejoint également une question plus vaste : comment se sont formés les éléments que l’on trouve aujourd’hui dans les étoiles et d’autres objets cosmiques. Si l’explosion d’une étoile primitive a enrichi le gaz voisin, sa composition pourrait préserver des informations sur une étape très ancienne de l’évolution stellaire. Dans ce cas, cette possibilité est déduite des abondances et du contexte ancien du quasar.

Une interprétation qui doit encore être vérifiée

Yoshii et ses collaborateurs ont envisagé d’autres explications et conclu qu’une supernova à instabilité de paires issue d’une étoile de Population III constituait l’interprétation la plus probable. Toutefois, le texte du NOIRLab ne présente pas cette lecture comme une confirmation définitive : les auteurs ont indiqué que de nombreuses autres observations similaires seraient nécessaires pour vérifier le résultat avec certitude.

La prudence est également importante en raison de la manière dont l’indice est obtenu. Les abondances sont estimées à partir de l’intensité de caractéristiques spectrales, laquelle dépend de facteurs autres que la quantité de chaque élément. Le raisonnement va donc d’un signal lumineux à un rapport chimique, puis à une comparaison avec des modèles d’explosions stellaires. Chaque étape étaye une interprétation, et non une observation directe de l’étoile qui aurait explosé.

Le résultat mis en avant par le NOIRLab est donc une possible trace chimique d’une supernova primordiale dans l’environnement de ULAS J1342+0928. Son intérêt tient à la possibilité qu’il offre de rechercher les vestiges d’étoiles de première génération dans des objets très anciens. Selon les chercheurs cités par la source, la confirmation dépend de l’obtention d’observations plus nombreuses et comparables.

Source de l’information : NOIRLab, « A glimpse of the first stars that lit up the Universe? », 28 septembre 2022.