Premières étoiles

Le récit

Le noir après la lumière

Après le Big Bang et la lumière qui s’est libérée 380 000 ans plus tard, l’Univers est devenu sombre. Il n’y avait encore aucune étoile. Il n’y avait que d’énormes nuages d’hydrogène et d’hélium, presque sans lumière, qui se déplaçaient dans l’espace. Les astronomes appellent cette période les « âges sombres », et selon les estimations, elle a duré environ 200 millions d’années. Puis, d’une manière que nous commençons aujourd’hui à observer, la première lumière s’est de nouveau allumée.

Comment s’allume une étoile

Une étoile naît grâce à la gravité. Dans un nuage de gaz, il y a des zones un peu plus denses que le reste. Ces zones attirent un peu plus de gaz, deviennent plus lourdes et en attirent encore davantage, dans un mécanisme qui se renforce tout seul. Le nuage se resserre et chauffe. Quand la température dépasse dix millions de degrés au centre, les atomes d’hydrogène commencent à fusionner et à former de l’hélium. Cette fusion libère une énorme quantité d’énergie sous forme de lumière et de chaleur. À partir de ce moment, l’étoile est allumée, et sa poussée vers l’extérieur équilibre le poids qui la ferait s’effondrer.

Les premières étoiles se sont formées dans des nuages faits presque uniquement d’hydrogène et d’hélium. Sans éléments plus lourds, le gaz avait plus de mal à se refroidir, et c’est pourquoi les scientifiques pensent que les premières étoiles étaient beaucoup plus grosses que le Soleil : peut-être des dizaines ou des centaines de fois plus massives. On les appelle les étoiles de « population III ». Personne ne les a encore vues directement : ce sont des hypothèses construites avec des calculs et des simulations sur ordinateur, et les astronomes espèrent en capter la lumière avec le télescope spatial James Webb.

Une vie brève et lumineuse

Les plus grosses étoiles consomment leur combustible très vite. Alors que le Soleil vit environ dix milliards d’années, une étoile énorme ne dure que quelques millions d’années. À la fin, sa partie centrale ne tient plus et s’effondre, et l’extérieur est projeté au loin dans une explosion appelée supernova. Pendant une courte période, une supernova peut briller autant qu’une galaxie entière.

C’est là que se passe la chose la plus importante de cette histoire. À l’intérieur des étoiles, et dans leurs explosions, les atomes légers fusionnent en atomes plus lourds : carbone, oxygène, azote, silicium, fer. Quand une étoile explose, ces éléments sont dispersés dans l’espace. L’astronome Carl Sagan disait que nous sommes faits de « poussière d’étoiles », et il avait raison : le calcium de tes os, le fer de ton sang et l’oxygène que tu respires ont été fabriqués dans des étoiles mortes bien avant la naissance du Soleil.

Les éléments les plus lourds ont eux aussi une origine stellaire, mais pas toujours une supernova. En 2017, les instruments qui détectent les ondes gravitationnelles et les télescopes ont observé pour la première fois la collision de deux étoiles à neutrons, et ils ont vu que cet événement produit beaucoup d’or. Les scientifiques pensent qu’une partie de l’or et d’autres métaux précieux naît justement ainsi.

Quand sont-elles nées vraiment ?

Nous ne savons pas avec précision quand la première étoile s’est allumée, parce que sa lumière est très faible et très lointaine. Les estimations parlent d’une période située entre 50 millions et environ un milliard d’années après le Big Bang ; les modèles les plus utilisés indiquent un moment autour de 100 à 200 millions d’années. Les astronomes appellent cette phase l’« aube cosmique ».

Le télescope Webb, lancé fin 2021, observe la lumière infrarouge, celle qui arrive la plus « étirée » à cause des distances énormes, et il a déjà découvert des galaxies étonnamment lumineuses et anciennes, nées environ 300 millions d’années après le Big Bang. Plus les observations s’améliorent, plus le tableau change : c’est pour cela que la date sur la frise du temps est approximative.

Les premières étoiles ont aussi eu un autre rôle : leur lumière ultraviolette a réchauffé et « ionisé » le gaz autour d’elles, c’est-à-dire qu’elle a arraché les électrons aux atomes. Ainsi, l’Univers, qui était un brouillard opaque à la lumière ultraviolette, est devenu transparent. Cette période s’appelle la « réionisation » et elle s’est terminée dans le premier milliard d’années environ.