🌟 Les vestiges d'une colossale étoile primordiale identifiés ?

Des trous noirs supermassifs ont été observés alors que l'Univers était encore très jeune, bien trop tôt pour qu'ils aient pu se former selon les modèles classiques d'accrétion.

Le télescope spatial James Webb apporte désormais une piste solide solide pour résoudre cette énigme. Ses observations ont révélé, dans une galaxie lointaine, une signature chimique exceptionnelle. Ce signal indique la présence passée d'étoiles d'une masse et taille colossales, des milliers de fois plus massives que notre Soleil, qui auraient peuplé les premiers âges du cosmos.

Jusqu'ici uniquement théorisées, cette observation pourrait confirmer l'existence de ces étoiles dites de "population III".


Cette découverte se concentre sur la galaxie GS 3073. En analysant sa composition, les scientifiques ont identifié un déséquilibre marqué entre les quantités d'azote et d'oxygène. Ce profil chimique particulier ne correspond à aucun type d'étoile connu aujourd'hui. L'équipe de recherche, impliquant l'Université de Portsmouth et le Center for Astrophysics, voit là la preuve indirecte que ces géantes aujourd'hui disparues ont bien existées.

L'azote joue ici le rôle d'un véritable traceur cosmique. Son abondance inhabituellement élevée par rapport à l'oxygène dans GS 3073 forme une empreinte unique. Seules des étoiles primordiales d'une masse prodigieuse peuvent générer un tel rapport.

Les modèles informatiques aident à comprendre comment ces astres géants ont pu produire autant d'azote. En leur cœur, des réactions de fusion transforment l'hélium en carbone. Ce carbone est ensuite transporté vers des couches externes où, en réagissant avec l'hydrogène, il engendre de l'azote via un cycle carbone-azote-oxygène (voir ci-dessous). Ce processus, couplé à une convection interne très active, disperse l'azote dans l'étoile avant qu'il ne soit éjecté dans l'espace.


La fin de vie de ces colosses stellaires est tout aussi particulière. Plutôt que d'exploser en supernova, elles s'effondrent directement sur elles-mêmes en trou noir. Ce phénomène conduit à la formation de trous noirs dès l'origine de plusieurs milliers de masses solaires. Le trou noir actif au centre de GS 3073 pourrait être le vestige d'une de ces étoiles primordiales.

Cette découverte ouvre une nouvelle fenêtre sur les premiers chapitres de l'histoire cosmique. Elle montre que la population stellaire initiale était probablement très différente de celle d'aujourd'hui, incluant des objets aux propriétés extrêmes. Le télescope James Webb devrait permettre d'identifier d'autres galaxies présentant un excès similaire d'azote, consolidant cette vision d'un Univers jeune peuplé de géants.

Le cycle carbone-azote-oxygène (CNO) dans les étoiles massives

Dans les étoiles très massives, la production d'énergie ne repose pas uniquement sur la fusion directe de l'hydrogène en hélium. Un autre mécanisme, appelé cycle carbone-azote-oxygène, prend le relais et devient dominant. Ce cycle utilise le carbone, l'azote et l'oxygène comme catalyseurs pour transformer l'hydrogène en hélium, libérant une immense quantité d'énergie au passage.

Le processus commence avec du carbone-12 présent dans le cœur de l'étoile. Il capture un noyau d'hydrogène (un proton) pour se transformer en azote-13, qui est instable. Après une désintégration radioactive, il devient du carbone-13. Ce dernier capture à son tour un proton pour devenir de l'azote-14, un isotope stable.

L'azote-14 peut ensuite capturer un autre proton pour devenir de l'oxygène-15, instable. En se désintégrant, il retourne à l'état d'azote-15. Enfin, l'azote-15 capture un quatrième proton, mais cette fois, au lieu de créer un élément plus lourd, il se scinde en hélium-4 et en carbone-12. Le carbone-12 est ainsi régénéré, permettant au cycle de recommencer.

Dans les étoiles primordiales extrêmement massives, ce cycle est particulièrement efficace et rapide en raison des températures et pressions énormes. Il conduit à une production et à un brassage important d'azote à l'intérieur de l'astre. Cet azote est ensuite expulsé dans le milieu interstellaire, laissant cette signature chimique distinctive que l'on observe aujourd'hui.