Comment MEGATRON reconstitue la naissance des premières étoiles

Pour comprendre comment les premières étoiles ont transformé l’Univers, le projet MEGATRON suit une région qui finira par former une galaxie de la masse de la Voie lactée. Le calcul commence avec un gaz primordial, dépourvu d’éléments plus lourds que l’hélium, puis suit la formation des premières étoiles, appelées étoiles de Population III, et la croissance de leurs petites galaxies. 86

L’ambition est de faire évoluer ensemble plusieurs ingrédients souvent étudiés séparément : le mouvement du gaz, sa composition chimique et le rayonnement des étoiles. Cette approche permet aux chercheurs de calculer à la fois la lumière émise par les galaxies jeunes et les éléments chimiques que leurs étoiles transmettent aux générations suivantes. 86

Rayonnement, chimie et supernovæ : une histoire liée

Le rayonnement des étoiles chauffe et ionise le gaz. Les molécules présentes dans le gaz primordial, puis les éléments lourds produits par les étoiles, modifient à leur tour la manière dont il se refroidit. Enfin, les explosions de supernovæ dispersent ces nouveaux éléments dans leur environnement.

Les modèles indiquent que les galaxies de l’Univers jeune ont un gaz plus dense et moins enrichi en éléments lourds, ainsi que des champs de rayonnement plus intenses que des galaxies de masse comparable dans l’Univers proche. Ces caractéristiques concordent avec certaines interprétations des observations du télescope spatial James-Webb (JWST). Les simulations reproduisent aussi la diversité des spectres observés à grand décalage vers le rouge, mais cette concordance ne permet pas, à elle seule, d’identifier avec certitude le mécanisme de rétroaction en cause. 813

Un possible « plateau » de fer dans les galaxies naines

L’un des premiers travaux consacrés à MEGATRON porte sur les plus petites galaxies naines. Il suggère que l’enrichissement par les premières étoiles pourrait y maintenir une teneur moyenne en fer relativement stable, au lieu de voir celle-ci diminuer continuellement à mesure que la masse de la galaxie baisse. Ce plateau pourrait constituer une trace durable des premières supernovæ, mais ne fournit pas encore une mesure définitive des propriétés des étoiles qui les ont produites. 7

Deux façons de retrouver la trace des premières étoiles

MEGATRON offre un pont entre deux types d’observations. Le JWST capte la lumière de galaxies très lointaines, telle qu’elle était émise dans l’Univers jeune. De leur côté, les étoiles anciennes et pauvres en métaux de la Voie lactée et de ses environs conservent des indices sur la composition du gaz dont elles se sont formées. Les simulations peuvent comparer leurs prédictions à ces deux archives complémentaires. 87

Les premiers travaux issus du projet étudient notamment les spectres des galaxies lointaines, le gaz et les mécanismes de rétroaction dans les galaxies jeunes, les environnements des étoiles de Population III et l’enrichissement en fer des galaxies naines. 81367

La prochaine étape prévue consiste à effectuer des calculs à résolution plus fine, capables de mieux détailler le gaz où naissent les premières étoiles. Les chercheurs pourront ainsi confronter différentes hypothèses sur leurs masses, leur rayonnement et les éléments produits par leurs supernovæ aux observations du JWST et aux abondances chimiques mesurées dans les étoiles anciennes. Il s’agit d’un test à venir : les résultats actuels ne tranchent pas encore définitivement la question de la nature des premières étoiles. 81367