Premières galaxies : des gaz déjà enrichis, mais des vents stellaires plus faibles que prévu

Les premières galaxies n’étaient pas nécessairement de simples réservoirs de gaz intact. Les observations de James-Webb montrent que certaines possédaient déjà des éléments lourds et que du gaz enrichi gagnait leurs alentours. Pour comprendre comment ces galaxies ont évolué, il faut aussi savoir comment se comportaient leurs étoiles massives. C’est l’un des objectifs de TEMPOS, une étude menée avec Hubble dans des galaxies proches pauvres en éléments lourds. 110

Un enrichissement déjà en cours

Les trois galaxies étudiées avec James-Webb sont observées telles qu’elles étaient environ 520 à 650 millions d’années après le Big Bang. Leur gaz contient notamment du carbone, de l’oxygène et du silicium : des générations antérieures d’étoiles avaient donc déjà produit et dispersé ces éléments. Les signes d’un écoulement vers l’extérieur suggèrent qu’un cycle de la matière se mettait en place : du gaz alimente la formation d’étoiles, tandis qu’une partie de la matière enrichie repart vers l’environnement galactique. Voir du gaz sortir ne prouve toutefois pas qu’il soit ensuite revenu dans la galaxie.

Cette présence d’éléments lourds compte aussi pour la recherche des étoiles de population III, la première génération supposée dépourvue de tels éléments. Le gaz sondé ici n’est pas intact. Il pourrait conserver une empreinte chimique des premières étoiles, mais une empreinte n’est pas une observation directe de ces étoiles. Ces données ne permettent pas non plus d’exclure l’existence de régions restées intactes ailleurs.

Ce que Hubble peut tester — et ce qu’il ne peut pas

TEMPOS a rassemblé des spectres ultraviolets de 29 étoiles massives de type O, situées dans six galaxies naines proches pauvres en éléments lourds. Ses premiers résultats indiquent des vents stellaires étonnamment faibles dans les environnements les plus pauvres, avec une baisse possiblement plus marquée en dessous d’environ 10 % de la métallicité solaire que ne le laisserait prévoir une simple extrapolation. Ce seuil et l’ampleur de la baisse restent à confirmer. 161013

Un vent stellaire est de la matière perdue par une étoile ; ce n’est pas le même phénomène que l’écoulement de gaz à l’échelle d’une galaxie observé avec James-Webb. TEMPOS permet de tester, à proximité, un paramètre important des modèles d’étoiles massives. Il ne mesure ni les étoiles de ces galaxies lointaines ni la cause de leurs écoulements. 13

Pourquoi l’oxygène ne raconte pas toute l’histoire

Les vents entraînés par le rayonnement dépendent des ions métalliques présents dans l’atmosphère des étoiles. Or TEMPOS relève des variations de l’absorption du fer. Cela complique un raccourci fréquent : déduire la composition pertinente pour les étoiles à partir de la seule abondance d’oxygène mesurée dans le gaz de leur galaxie. Des travaux antérieurs sur des galaxies extrêmement pauvres en éléments lourds avaient déjà montré que les mesures stellaires liées au fer et celles de l’oxygène gazeux ne décrivent pas toujours les mêmes proportions d’éléments. 346

Pour modéliser les galaxies observées par James-Webb, l’enjeu est donc de tester à la fois les prescriptions encore incertaines des vents stellaires à très faible métallicité, les rapports entre éléments et les échanges de gaz. Les deux ensembles d’observations apportent de nouvelles contraintes ; ils ne constituent pas encore une explication unique de la complexité des premières galaxies. 1410