Pendant des décennies, les astronomes scrutant avec Hubble ont tenté d'apercevoir les premières étoiles de l'Univers s'allumer. Les petites galaxies qui ont bâti le cosmos étaient cependant trop faibles pour être repérées, même par les instruments les plus sophistiqués. Aujourd'hui, les astronomes ont enfin deux atouts dans leur manche : le télescope spatial Webb et un peu de chance cosmique.

Dans un article récent dans Nature, une équipe dirigée par Kimihiko Nakajima à l'Université de Kanazawa, au Japon, a utilisé le télescope spatial James Webb pour observer une galaxie ultra-faible appelée LAP1-B telle qu'elle existait environ 800 millions d'années après le Big Bang. C'est la galaxie la plus chimiquement primitive que nous ayons jamais vue - ce qui n'est pas peu dire, vu le nombre de choses primitives que nous avons repérées.

LAP1-B est à 13 milliards d'années-lumière. Même les énormes miroirs en béryllium plaqué or de JWST ne suffisaient pas seuls. L'équipe l'a repérée grâce à un amas de galaxies massif appelé MACS J046, qui déforme l'espace-temps entre nous et LAP1-B comme un miroir déformant cosmique. « La galaxie a été fortement amplifiée par l'effet de lentille gravitationnelle », a déclaré Nakajima. Plus précisément, l'espace-temps déformé a multiplié la luminosité de LAP1-B par environ 100.

Même avec cette amplification, LAP1-B est si faible que ni JWST ni Hubble n'ont pu détecter son continuum stellaire - la lumière de fond constante de ses étoiles. Pour Nakajima et ses collègues, c'était en soi un indice. Connaissant la distance et la sensibilité du télescope, ils ont calculé la limite supérieure absolue de la masse stellaire de LAP1-B : 3 300 soleils. C'est une erreur d'arrondi par rapport aux quelque 100 milliards de masses solaires de la Voie lactée.

La majeure partie de la lumière frappant les miroirs de JWST ne provenait pas des étoiles mais de gaz lumineux. En examinant ce gaz, l'équipe a réalisé que LAP1-B est ce qui se rapproche le plus des premières galaxies vierges que nous ayons observées. La lueur provient du rayonnement à haute énergie d'étoiles massives frappant les nuages de gaz interstellaire environnants, les faisant fluorescer. En utilisant le spectrographe proche infrarouge de JWST, les chercheurs ont décomposé la lumière en un spectre et recherché des raies d'émission indiquant la composition chimique.

« Nous voulions mesurer la quantité d'oxygène présente », a déclaré Nakajima. L'analyse a révélé une pénurie profonde d'éléments plus lourds que l'hydrogène et l'hélium. Le rapport oxygène/hydrogène en phase gazeuse n'atteignait que 0,4 % de ce que l'on trouve dans notre Soleil. Un autre détail : le carbone triplement ionisé - un état où un atome de carbone perd la moitié de ses six électrons. Arracher ces électrons nécessite des photons ultraviolets extrêmes avec des énergies dépassant 47,9 électronvolts. Les étoiles standard, même les plus massives près de nous, ne sont pas assez chaudes. Les étoiles capables d'atteindre cette chaleur, suggère l'équipe, étaient les toutes premières allumées dans l'Univers - faites exclusivement d'hydrogène et d'hélium du Big Bang, manquant d'éléments lourds pour se refroidir lors de leur formation. « De telles étoiles devraient être formées à partir de gaz primordial », a déclaré Nakajima.

Les étoiles d'aujourd'hui, y compris notre Soleil, sont de Population I. Les plus anciennes dans le halo galactique sont de Population II, avec des éléments lourds bien plus faibles. Les étoiles de Population III étaient les premières - théorisées comme des monstres violents avec des masses des centaines de fois celle du Soleil comprimées dans de petits volumes, brûlant extrêmement chaud et mourant jeunes dans des supernovae. L'équipe de Nakajima a probablement trouvé des traces de ces explosions dans LAP1-B.

Malgré une pauvreté incroyable en éléments lourds, LAP1-B a un rapport carbone/oxygène inhabituellement élevé - plus élevé que celui de notre Soleil. Les chercheurs pensent que la réponse réside dans la façon dont ces étoiles massives de première génération sont mortes. Lorsqu'une étoile de Population III s'effondre, son cœur devient un trou noir, mais la supernova n'est pas assez énergétique pour faire exploser l'étoile. « Leur énergie de liaison gravitationnelle est plus forte que dans les étoiles massives habituelles », a déclaré Nakajima. L'effondrement entraîne une supernova faible avec un recul significatif : les éléments plus lourds comme l'oxygène sont aspirés au-delà de l'horizon des événements, tandis que les couches externes plus légères riches en carbone s'échappent. La composition chimique de LAP1-B ressemble à une empreinte digitale du gaz provenant des supernovae de Population III.

Un autre indice : la vitesse du gaz. En mesurant l'élargissement Doppler des raies d'émission, l'équipe a estimé la dispersion de vitesse du gaz à environ 30 km/s, ce qui suggère une masse dynamique d'environ 100 000 masses solaires. Mais la masse stellaire n'est que de 3 300 masses solaires, ce qui signifie que la majeure partie de la masse de LAP1-B est de la matière noire. Cela correspond aux attentes : les galaxies primitives sont dominées par la matière noire, qui fournit le puits gravitationnel pour que le gaz s'accumule et forme des étoiles. LAP1-B est si petite qu'elle pourrait être une galaxie naine de matière noire, un vestige de l'aube cosmique.

« C'est une excellente cible pour étudier la formation des galaxies primitives », a déclaré Nakajima. « Nous pouvons voir directement les étoiles de Population III. »