Des étoiles presque invisibles rendent les premières galaxies bien plus massives qu’on ne le pensait

Une partie de la masse des galaxies anciennes pourrait être passée sous les radars : des étoiles de faible masse, très peu lumineuses individuellement, mais suffisamment nombreuses pour peser lourd dans le bilan total. Une équipe internationale dirigée par l’université de Leyde a identifié un excès de ces étoiles dans neuf galaxies massives et quiescentes — c’est-à-dire ayant largement cessé de former de nouvelles étoiles — observées à un décalage vers le rouge d’environ 0,7.

Une méthode qui traque la lumière la plus discrète

Pour repérer cette population difficile à voir, les chercheurs ont combiné des spectres extrêmement profonds du télescope spatial James-Webb, obtenus avec son instrument NIRSpec, et des spectres optiques plus bleus recueillis par le Very Large Telescope dans le cadre du relevé LEGA-C. Ce dernier observe notamment des galaxies situées à des décalages vers le rouge compris entre 0,6 et 1,0.

Cette couverture étendue du spectre est essentielle. Les signatures dans le proche infrarouge du référentiel de la galaxie sont sensibles à la contribution des étoiles naines peu massives, tandis que les longueurs d’onde optiques renseignent sur l’âge des populations stellaires, leur métallicité et leurs abondances élémentaires. En réunissant ces informations, l’équipe peut estimer la fonction initiale de masse — la répartition des masses au moment de la naissance des étoiles — au lieu de supposer qu’elle est identique à celle de la Voie lactée.

Des galaxies « dominées par les petites masses »

La fonction initiale de masse, ou IMF, indique combien d’étoiles se forment dans chaque gamme de masse. Une IMF dite dominée par les petites masses contient proportionnellement plus d’étoiles légères que la distribution habituellement utilisée pour la Voie lactée.

Les neuf galaxies étudiées présentent des indices en faveur de cette répartition. Ces étoiles peu massives sont discrètes sur le plan lumineux, mais elles vivent très longtemps et leur contribution collective à la masse peut être considérable. Une estimation fondée sur une IMF de type Voie lactée sous-évalue donc la masse totale en étoiles lorsque la population réelle est dominée par ces astres légers.

Jusqu’à quatre fois plus de masse pour les deux plus anciennes

L’effet est particulièrement marqué pour les deux objets les plus anciens de l’échantillon. Considérés comme des descendants directs des galaxies exceptionnellement précoces observées par James-Webb, ils deviennent trois à quatre fois plus massifs lorsqu’on applique la fonction initiale de masse mesurée par l’équipe.

Il ne s’agit pas d’un simple ajustement à la marge. Les modèles de formation des galaxies doivent désormais expliquer l’assemblage d’une quantité de matière encore plus importante dans un laps de temps très court. L’une de ces populations stellaires se serait probablement formée moins de 1,5 milliard d’années après le Big Bang : sa galaxie progénitrice aurait donc dû accumuler une masse stellaire supérieure aux estimations précédentes, et à un rythme encore plus rapide.

Un problème renforcé pour les galaxies très jeunes

Le télescope James-Webb a déjà mis en évidence des galaxies massives et évoluées à des époques étonnamment reculées. La galaxie quiescente GS-9209, par exemple, a été confirmée par spectroscopie à un décalage vers le rouge de 4,658, lorsque l’Univers n’avait qu’environ 1,25 milliard d’années. Sa masse stellaire était estimée à environ 3,8 × 10¹⁰ masses solaires dans le cadre des hypothèses de cette analyse.

Le nouveau résultat ne mesure toutefois pas directement la fonction initiale de masse des galaxies situées dans les tout premiers centaines de millions d’années après le Big Bang. Il apporte une indication à un décalage vers le rouge d’environ 0,7, chez des descendantes de galaxies très anciennes. Toute extrapolation aux premières galaxies observées par James-Webb reste donc une inférence, et non une mesure directe de leur IMF.

Si une formation stellaire également dominée par les petites masses était déjà à l’œuvre dans ces galaxies anciennes, leur masse réelle pourrait être nettement supérieure aux premières estimations. La difficulté pour les modèles serait alors double : expliquer l’apparition très précoce de galaxies déjà matures, mais aussi la formation d’une masse stellaire plus importante qu’attendu — parfois à une époque où l’Univers avait moins de 500 millions d’années.

Davantage d’étoiles légères, davantage de planètes ?

Les étoiles peu massives ont une durée de vie très longue et peuvent héberger des systèmes planétaires. Si ce mode de formation dominé par les petites masses était courant dans l’Univers jeune, il pourrait y avoir eu davantage de ces étoiles que ne le laissent penser les estimations fondées sur une population comparable à celle de la Voie lactée. Le nombre potentiel de systèmes planétaires formés tôt dans l’histoire cosmique pourrait donc être revu à la hausse.

Cette conséquence reste spéculative. L’étude porte sur les populations stellaires, pas sur les planètes ni sur leur fréquence autour des étoiles. Elle modifie le nombre possible d’étoiles-hôtes de faible masse, mais ne dit pas à quelle fréquence celles-ci ont formé des planètes, encore moins si ces planètes étaient habitables.

La prochaine étape : remonter vers les premières étoiles

Les chercheurs veulent maintenant appliquer la même stratégie à des galaxies situées à des décalages vers le rouge de plus en plus élevés. Des spectres très profonds couvrant une large gamme de longueurs d’onde dans le référentiel de ces galaxies permettront de vérifier si l’excès d’étoiles peu massives persiste en se rapprochant de l’époque des premières étoiles. À très grand décalage vers le rouge, les signatures sensibles à l’IMF sont décalées vers l’infrarouge, une région que James-Webb est particulièrement bien équipé pour observer.

Ces futures mesures aideront à déterminer si cette IMF dominée par les petites masses est propre aux galaxies massives et quiescentes déjà étudiées, si elle caractérise plus largement la formation stellaire précoce, ou si elle évolue avec le temps cosmique et l’environnement.