Une équipe internationale d'astrophysiciens a développé un modèle expliquant comment des étoiles extrêmement massives ont forgé les premiers amas stellaires et galaxies de l'univers. Ces géants, des milliers de fois plus lourds que le Soleil, ont laissé des empreintes chimiques dans d'anciens amas globulaires et pourraient avoir semé les premiers trous noirs. Les résultats relient la formation des étoiles aux observations du télescope spatial James Webb.
Une équipe internationale dirigée par le chercheur ICREA Mark Gieles, de l'Institut des Sciences du Cosmos de l'Université de Barcelone (ICCUB) et de l'Institut d'Études Spatiales de Catalogne (IEEC), a créé un nouveau modèle qui éclaire les étoiles extrêmement massives (EMS) de plus de 1 000 fois la masse du Soleil. Publié dans Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, la recherche démontre comment ces géants à vie courte ont façonné la formation et le développement précoce des amas stellaires les plus anciens de l'univers.
Les amas globulaires (GC) sont des collections sphériques et densément compactées de centaines de milliers à des millions d'étoiles, trouvées dans presque toutes les galaxies, y compris la Voie lactée. La plupart ont plus de 10 milliards d'années et sont apparus peu après le Big Bang. Les étoiles dans ces amas montrent des compositions chimiques inhabituelles, avec des niveaux variables d'hélium, d'azote, d'oxygène, de sodium, de magnésium et d'aluminium—des variations intrigantes suggérant des processus qui ont altéré le gaz originel.
Le modèle étend la théorie du flux inertiel, appliquée aux conditions de l'univers primitif. Dans les amas stellaires massifs, les flux de gaz turbulents génèrent naturellement des EMS allant de 1 000 à 10 000 masses solaires. Ces étoiles produisent des vents puissants remplis de produits de fusion d'hydrogène à haute température, se mélangeant au gaz pristine pour créer des empreintes chimiques distinctes dans les étoiles subséquentes.
"Notre modèle montre qu'un petit nombre d'étoiles extrêmement massives peut laisser une empreinte chimique durable sur un amas entier", explique Mark Gieles (ICREA-ICCUB-IEEC). "Il relie enfin la physique de la formation des amas globulaires aux signatures chimiques que nous observons aujourd'hui."
Les chercheurs Laura Ramírez Galeano et Corinne Charbonnel de l'Université de Genève ajoutent : "Il était déjà connu que les réactions nucléaires dans les centres d'étoiles extrêmement massives pouvaient créer les motifs d'abondance appropriés. Nous avons maintenant un modèle qui fournit un chemin naturel pour former ces étoiles dans des amas stellaires massifs."
Ce processus se déroule en un à deux millions d'années, avant les explosions de supernovas, évitant la contamination par du matériau de supernova. Les résultats s'étendent aux galaxies riches en azote observées par le télescope spatial James Webb (JWST), qui contiennent probablement des GC dominés par des EMS de l'évolution précoce des galaxies.
"Les étoiles extrêmement massives ont peut-être joué un rôle clé dans la formation des premières galaxies", note Paolo Padoan (Dartmouth College et ICCUB-IEEC). "Leur luminosité et leur production chimique expliquent naturellement les proto-galaxies enrichies en azote que nous observons maintenant dans l'univers primitif avec le JWST."
Ces étoiles sont censées s'effondrer en trous noirs de masse intermédiaire pesant plus de 100 masses solaires, potentiellement détectables par des ondes gravitationnelles. L'étude, détaillée dans Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (2025 ; 544 (1) : 483, DOI : 10.1093/mnras/staf1314), offre une explication unifiée de la formation des étoiles, de l'enrichissement chimique et des origines des trous noirs dans l'univers primitif.