L’observation Gemini d’un quasar lointain révèle la preuve d’une étoile de première génération décédée dans l’explosion d’une “super-supernova”

Les toutes premières étoiles se sont probablement formées alors que l’Univers n’avait que 100 millions d’années, soit moins d’un pour cent de son âge actuel. Ces premières étoiles – connues sous le nom de Population III – étaient si titanesquement massives que lorsqu’elles ont mis fin à leur vie en tant que supernovae, elles se sont déchirées, ensemençant l’espace interstellaire d’un mélange distinctif d’éléments lourds. Malgré des décennies de recherches assidues par les astronomes, cependant, il n’y a eu aucune preuve directe de ces étoiles primordiales, jusqu’à présent.

En analysant l’un des quasars connus les plus éloignés [1] à l’aide du télescope Gemini North, l’un des deux télescopes identiques qui composent l’Observatoire international Gemini, exploité par le NOIRLab de la NSF, les astronomes pensent désormais avoir identifié le matériau résiduel de l’explosion d’une étoile de première génération. En utilisant une méthode innovante pour déduire les éléments chimiques contenus dans les nuages ​​entourant le quasar, ils ont remarqué une composition très inhabituelle : le matériau contenait plus de 10 fois plus de fer que de magnésium par rapport au rapport de ces éléments trouvés dans notre Soleil.

Les scientifiques pensent que l’explication la plus probable de cette caractéristique frappante est que le matériau a été laissé par une étoile de première génération qui a explosé en supernova à instabilité de paires. Ces versions remarquablement puissantes d’explosions de supernova n’ont jamais été observées, mais sont théorisées comme la fin de vie d’étoiles gigantesques dont la masse est comprise entre 150 et 250 fois celle du Soleil.

Les explosions de supernova à instabilité de paires se produisent lorsque les photons au centre d’une étoile se transforment spontanément en électrons et en positrons – l’antimatière homologue chargée positivement de l’électron. Cette conversion réduit la pression de rayonnement à l’intérieur de l’étoile, permettant à la gravité de la vaincre et conduisant à l’effondrement et à l’explosion qui en résulte.

Contrairement à d’autres supernovae, ces événements dramatiques ne laissent aucun résidu stellaire, comme une étoile à neutrons ou un trou noir, et éjectent à la place toute leur matière dans leur environnement. Il n’y a que deux façons d’en trouver la preuve. La première consiste à attraper une supernova d’instabilité de paires au moment où elle se produit, ce qui est un hasard hautement improbable. L’autre façon est d’identifier leur signature chimique à partir de la matière qu’ils éjectent dans l’espace interstellaire.

Pour leurs recherches, les astronomes ont étudié les résultats d’une observation antérieure prise par le télescope Gemini North de 8,1 mètres à l’aide du spectrographe Gemini dans le proche infrarouge (GNIRS). Un spectrographe divise la lumière émise par les objets célestes en ses longueurs d’onde constitutives, qui contiennent des informations sur les éléments que contiennent les objets. Gemini est l’un des rares télescopes de sa taille disposant d’un équipement adapté pour effectuer de telles observations.

Déduire les quantités de chaque élément présent, cependant, est une entreprise délicate car la luminosité d’une raie dans un spectre dépend de nombreux autres facteurs en plus de l’abondance de l’élément.

Deux co-auteurs de l’analyse, Yuzuru Yoshii et Hiroaki Sameshima de l’Université de Tokyo, se sont attaqués à ce problème en développant une méthode utilisant l’intensité des longueurs d’onde dans un spectre de quasar pour estimer l’abondance des éléments qui y sont présents. C’est en utilisant cette méthode pour analyser le spectre du quasar qu’eux et leurs collègues ont découvert le rapport magnésium/fer manifestement faible.

“Il était évident pour moi que la supernova candidate pour cela serait une supernova à instabilité de paires d’une étoile de la population III, dans laquelle l’étoile entière explose sans laisser de reste,” dit Yoshii. “J’ai été ravi et quelque peu surpris de constater qu’une supernova à instabilité de paires d’une étoile d’une masse d’environ 300 fois celle du Soleil fournit un rapport magnésium/fer qui correspond à la faible valeur que nous avons dérivée pour le quasar.“

Des recherches de preuves chimiques pour une génération précédente d’étoiles de masse élevée de la population III ont déjà été menées parmi les étoiles du halo de la Voie lactée et au moins une tentative d’identification a été présentée en 2014. Yoshii et ses collègues, cependant, pensent que le Le nouveau résultat fournit la signature la plus claire d’une supernova à instabilité de paires basée sur le rapport d’abondance magnésium/fer extrêmement faible présenté dans ce quasar.

S’il s’agit bien de la preuve de l’une des premières étoiles et des restes d’une supernova à instabilité de paires, cette découverte contribuera à compléter notre image de la façon dont la matière dans l’Univers a évolué pour devenir ce qu’elle est aujourd’hui, y compris nous. Pour tester cette interprétation de manière plus approfondie, de nombreuses autres observations sont nécessaires pour voir si d’autres objets ont des caractéristiques similaires.

Mais nous pourrons peut-être aussi trouver les signatures chimiques plus près de chez nous. Bien que les étoiles de masse élevée de la population III se soient toutes éteintes il y a longtemps, les empreintes chimiques qu’elles laissent dans leur matériau éjecté peuvent durer beaucoup plus longtemps et peuvent encore persister aujourd’hui. Cela signifie que les astronomes pourraient être en mesure de trouver les signatures d’explosions de supernova à instabilité de paires d’étoiles disparues depuis longtemps encore imprimées sur des objets de notre univers local.

“Nous savons maintenant ce qu’il faut rechercher, nous avons une voie”, a déclaré le co-auteur Timothy Beers, astronome à l’Université de Notre Dame. “Si cela s’est produit localement au tout début de l’Univers, ce qu’il aurait dû faire, nous nous attendrions à en trouver la preuve.”

Remarques

[1] La lumière de ce quasar voyage depuis 13,1 milliards d’années, ce qui signifie que les astronomes observent cet objet tel qu’il est apparu lorsque l’Univers n’avait que 700 millions d’années. Cela correspond à un décalage vers le rouge de 7,54.