Les galaxies jouaient autrefois selon d'autres règles

"Depuis le big bang il y a 13,7 milliards d'années, l'univers n'a cessé d'évoluer, à chaque époque il avait un aspect différent, ce qui est incroyablement fascinant", explique Marcella Carollo, professeure d'astrophysique à l'ETH Zurich. Son groupe de recherche a étudié des galaxies dont la lumière a voyagé pendant plus de 10 milliards d'années avant de nous atteindre. Les chercheurs ont ainsi pu se replonger dans l'univers primitif, dans lequel environ 3 milliards d'années seulement se sont écoulées après le big bang. Cette période est particulièrement intéressante, car un nombre extrêmement élevé d'étoiles sont nées à cette époque - plus que jamais auparavant ou après. "Aujourd'hui, une à deux étoiles naissent chaque année dans notre Voie lactée. Il y a 10 milliards d'années, il y avait probablement environ 200 soleils par an dans une telle galaxie", explique l'astrophysicienne.

Les grandes étoiles massives ont une durée de vie courte à l'échelle cosmique. Elles meurent dans une période d'environ 10 millions d'années après leur naissance. Elles explosent alors en supernovae et éjectent de la matière, dont de l'oxygène, dans le gaz environnant. "C'est exactement ce que nous avons mesuré dans notre travail", explique Masato Onodera, jusqu'à récemment membre du groupe de recherche de l'ETH et désormais scientifique au télescope japonais Subaru à Hawa?. Il est le premier auteur de l'étude, qui vient d'être publiée dans la revue spécialisée Astrophysical Journal.

Naissances et "métaux" n'étaient pas liés

L'équipe a observé 41 galaxies lointaines et a déterminé la proportion d'éléments plus lourds que l'hydrogène et l'hélium qu'elles contiennent. En astronomie, ces éléments lourds, y compris l'oxygène, sont appelés "métaux", par opposition à la chimie, où les métaux doivent par exemple présenter une conductivité électrique élevée. Ce sont les éléments lourds qui ont permis la formation des planètes en orbite autour des étoiles. Et nous aussi, nous sommes constitués de ces "métaux astronomiques".

Il s'est avéré que les galaxies comme notre Voie lactée contenaient beaucoup moins de métaux au début de l'univers que les systèmes stellaires actuels. Par rapport à ces derniers, la fréquence des métaux n'était autrefois que d'environ 20 pour cent. Ce seul fait n'a pas étonné les chercheurs.

Les chercheurs ont toutefois été surpris de constater qu'il manquait une relation connue : dans l'univers actuel, les astronomes peuvent prédire quelle est la fréquence des métaux dans une galaxie s'ils savent combien d'étoiles sont formées chaque année dans cette galaxie. Ainsi, les galaxies actuelles avec un grand taux de naissance d'étoiles contiennent moins de métaux que celles qui sont moins actives dans la formation d'étoiles. "Si nous regardons l'univers primitif, il y a 10 milliards d'années, nous perdons ce lien", explique Onodera. "Il n'y a pas de lien entre le taux de naissance d'étoiles dans une galaxie primitive et la quantité d'éléments lourds qui y sont présents".

Le modèle de la baignoire

"Les connaissances sur l'abondance des métaux nous donnent des indications importantes sur l'équilibre physique des galaxies à travers les époques et sur la formation des étoiles et des planètes", explique Marcella Carollo. Il existe de nombreuses théories, mais ce n'est que sur la base de telles observations que l'on peut déterminer quelles considérations théoriques sont correctes, ajoute-t-elle.

L'astrophysicienne compare les galaxies à des machines dans lesquelles du gaz, principalement de l'hydrogène, s'écoule de l'extérieur comme de l'eau dans une baignoire. Ce gaz sert de réservoir à partir duquel les étoiles se forment, mais une partie est également éjectée. "Pour comprendre cette machine et savoir pourquoi elle s'est ralentie au cours des 10 derniers milliards d'années, nous devons conna?tre la fréquence des métaux", explique Marcella Carollo. Car la proportion d'éléments lourds est le résultat de l'interaction complexe entre le gaz entrant et sortant et la formation des étoiles.

Mesures à Hawaii

Le télescope géant Keck et son miroir de 10 mètres sur le Mauna Kea à Hawa? ont permis de jeter un regard dans le passé. Il ne fournit pas seulement des images d'objets très éloignés et extrêmement peu lumineux, mais aussi des spectres qui permettent de tirer des conclusions sur les éléments chimiques présents. En raison du fort décalage vers le rouge de la lumière, les lignes spectrales se trouvent dans le domaine infrarouge et sont très difficiles à détecter. Un spectrographe infrarouge récemment installé a rendu cela possible. Gr?ce à lui, les chercheurs ont en outre pu observer plusieurs objets en même temps, ce qui a permis une collecte de données particulièrement efficace.

"Pour obtenir le temps de télescope tant convoité, il a fallu faire preuve d'un peu de diplomatie", raconte Marcella Carollo. Le Japonais Masato Onodera a obtenu qu'une partie des observations soit réalisée dans le cadre d'un programme d'échange entre l'observatoire américain Keck et le télescope japonais Subaru à Hawa?, tandis que Marcella Carollo a activé sa bonne collaboration avec le California Institute of Technology, co-exploitant de Keck. "Notre travail a donc été un merveilleux effort commun", déclare l'astrophysicienne.