Dans le cadre d’une collaboration comprenant des chercheurs de l’Université Ben Gourion, le télescope spatial Hubble a établi une nouvelle performance : détecter la lumière d’une étoile qui a existé au cours du premier milliard d’années après la naissance de l’univers après le big bang, l’étoile la plus éloignée jamais vue à ce jour. La découverte est un énorme bond en arrière dans le temps par rapport au précédent record d’une étoile détectée par Hubble en 2018. Cette étoile existait lorsque l’univers avait environ 4 milliards d’années, soit 30% de son âge actuel, à une époque que les astronomes appellent « décalage vers le rouge 1,5″. Les scientifiques utilisent le mot « décalage vers le rouge » car à mesure que l’univers s’étend, la lumière des objets distants est étirée ou « décalée » vers des longueurs d’onde plus longues et plus rouges dans notre direction.
L’étoile nouvellement détectée est si éloignée que sa lumière a mis 12,9 milliards d’années pour atteindre la Terre, nous apparaissant comme elle l’était lorsque l’univers n’avait que 7% de son âge actuel, par un décalage vers le rouge de 6,2. Habituellement, à ces distances, on ne peut observer que des galaxies contenant des milliards d’étoiles, les plus petits objets vus à une si grande distance étant des amas d’étoiles, intégrés à l’intérieur des premières galaxies. Jusqu’à récemment, la possibilité d’observer une étoile unique à une telle distance relevait de l’utopie.
Mais un alignement cosmique d’un amas massif de galaxies entre nous et l’étoile lointaine a grossi l’étoile d’au moins quelques milliers de fois et a ainsi permis aux chercheurs d’observer une seule étoile de l’univers primitif. Une étoile, que sans l’aide de lentilles, on n’aurait eu aucune chance d’observer. « Nous n’y croyions presque pas au début, c’était tellement plus loin que l’étoile précédente la plus éloignée et la plus élevée à décalage vers le rouge », a déclaré l’astronome Brian Welch de l’Université Johns Hopkins à Baltimore, auteur principal de l’article.
La découverte a été faite à partir de données recueillies lors du programme RELICS (Reionization Lensing Cluster Survey) de Hubble, dirigé par le co-auteur Dan Coe au Space Telescope Science Institute (STScI), également à Baltimore. Les corps massifs plient l’espace-temps de telle sorte qu’ils créent effectivement une lentille dans le ciel. « Le phénomène de lentille ouvre une porte pour en savoir plus sur la matière noire et les galaxies lointaines, mais généralement le grossissement de la lentille est faible », a souligné le Pr Adi Zitrin de l’Université Ben Gourion et l’un des principaux chercheurs de l’étude.
« Une lentille gravitationnelle, semblable à une lentille ordinaire que nous connaissons dans la vie de tous les jours, forme des régions à fort grossissement appelées caustiques, où les rayons lumineux se concentrent. Une caractéristique similaire peut être vue au fond d’une piscine par une journée ensoleillée à cause des ondulations de l’eau. Le grossissement de lentille à la caustique d’une lentille gravitationnelle peut être très élevé, et même atteindre des millions », ajoute Adi Zitrin. Mais plus le grossissement est élevé, plus la région agrandie est petite. Il est donc rare de trouver une étoile qui s’aligne exactement sur la caustique d’une lentille d’amas de galaxies. En fait, ce n’est qu’en 2018, avec la découverte de la première étoile à lentille cosmologique éloignée, qu’il a été correctement compris qu’en utilisant la lentille gravitationnelle, il était possible de voir des étoiles uniques à ces distances.
« La découverte actuelle a un autre aspect important, car elle ouvre également une porte pour en savoir plus sur les étoiles de l’univers primitif, où nous avons peu d’informations sur leurs caractéristiques physiques et leur contribution à l’ionisation précoce de l’hydrogène à travers l’univers », explique le Pr Zitrin. L’équipe de recherche estime qu’Earendel a au moins 50 fois la masse de notre Soleil et des millions de fois plus brillante, rivalisant avec les étoiles les plus massives connues. Brian Welch a baptisé l’étoile Earendel, « étoile du matin » en vieil anglais. Depuis la détection de la première lentille cosmologique en 2018, quelques autres événements de ce type à fort grossissement ont été détectés, mais à des distances un peu plus petites.
Divers groupes essaient de se concentrer et de surveiller les galaxies dans leur courbe, attendant qu’une de leurs étoiles s’approche de leur courbe et allume des télescopes sur Terre et dans l’espace. Le groupe de Zitrin est membre de divers programmes de ce type avec les télescopes spatiaux Hubble et James Webb. Les astronomes s’attendent à ce qu’Earendel reste fortement agrandi pour les années à venir. Il sera observé par le télescope spatial James Webb de la NASA. La haute sensibilité de Webb à la lumière infrarouge est nécessaire pour en savoir plus sur Earendel, car sa lumière est étirée (décalée vers le rouge) vers des longueurs d’onde infrarouges plus longues en raison de l’expansion de l’univers.
« Avec le télescope James Webb, nous espérons confirmer qu’Earendel est bien une étoile, ainsi que mesurer sa luminosité et sa température », a déclaré Dan Coe. Ces détails préciseront son type et son stade dans le cycle de vie stellaire. « Nous nous attendons également à ce que la galaxie Sunrise Arc manque d’éléments lourds qui se forment dans les générations d’étoiles suivantes. Cela suggérerait qu’Earendel est une étoile rare, massive et pauvre en métaux », a ajouté Dan Coe. « Avec James Webb, nous pourrions voir des étoiles encore plus loin qu’Earendel », a déclaré Brian Welch. « Nous irons aussi loin que possible. J’aimerais que Webb batte le record de distance d’Earendel ». Adi Zitrin s’attend à ce que James Webb détecte des étoiles encore plus éloignées. « Grâce à la forme spectrale des étoiles, qui suit ce qu’on appelle un corps noir, le spectre décalé vers le rouge à de grandes distances compense la perte de flux due à la plus grande distance, et nous devrions donc voir des étoiles à lentilles encore plus tôt. Nous espérons qu’avec ce phénomène nous pourrons voir les premières étoiles qui se sont formées dans l’univers« .
La contribution de la recherche de l’Université Ben Gourion a été financée par un fonds du ministère des Sciences et de la Technologie d’Israël. Le télescope spatial Hubble est un projet de coopération internationale entre la NASA et l’ESA (Agence spatiale européenne). Le Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland, gère le télescope. Le Space Telescope Science Institute (STScI) à Baltimore, Maryland, mène des opérations scientifiques Hubble. STScI est exploité pour la NASA par l’Association des universités pour la recherche en astronomie à Washington, D.C.
Publication dans Nature 30 mars 2022
Traduit et adapté par Esther Amar pour Israël Science Info