Une équipe internationale d'astronomes a utilisé la brève mais intense lumière émise par un sursaut gamma pour étudier la composition chimique de galaxies très lointaines. Etonnamment, les nouvelles observations, effectuées à l'aide du VLT, le très grand télescope de l'ESO, ont dévoilé deux galaxies de l'Univers primordial plus riches en éléments chimiques lourds que le Soleil. Les deux galaxies en question sont probablement en train de fusionner. Ce type d'évènement, survenu dans l'Univers primordial, conduit à la formation en grand nombre de nouvelles étoiles et peut être à l'origine de sursauts gamma.
Crédit: ESO/L. Calçada
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Les sursauts gamma constituent les phénomènes explosifs les plus intenses, en terme de luminosité, de l'Univers (1). Ils sont observés en premier lieu par des télescopes situés en orbite autour de la Terre, configurés pour détecter l'émission initiale et rapide de photons gamma. Peu après que leur position ait été déterminée, ils sont suivis au moyen de grands télescopes au sol, capables de détecter les émissions rémanentes des sursauts dans les domaines visible et infrarouge. Ces émissions peuvent durer plusieurs heures à plusieurs jours. Un sursaut de ce type, baptisé GRB 090323 (2), a tout d'abord été détecté par le télescope spatial Fermi de la NASA, dédié aux sursauts gamma. Peu après, il a été suivi par le détecteur de rayons X embarqué sur le satellite Swift de la NASA et par le système GROND installé sur le télescope MPG/ESO de 2,2 mètres au Chili puis il a fait l'objet d'une étude détaillée à l'aide du très grand télescope de l'ESO, le VLT, une journée à peine après qu'il eut explosé.
Les observations effectuées à l'aide du VLT montrent que la lumière intense produite par le sursaut gamma a traversé sa propre galaxie hôte ainsi qu'une autre galaxie située à proximité. Ces galaxies nous apparaissent ainsi telles qu'elles étaient il y a environ 12 milliards d'années (3). Rarement des galaxies aussi lointaines ont été « piégées » dans l'éclat d'un sursaut gamma.
« Lorsque nous avons étudié la lumière issue de ce sursaut gamma, nous ne savions pas ce que nous allions découvrir. Ce fut pour nous une surprise de constater que le gaz froid de ces deux galaxies de l'Univers primordial était caractérisé par une composition chimique si inattendue » explique Sandra Avaglio (Max Planck Institut pour la Physique Extraterrestre, Garching, Allemagne), auteure principale de l'article décrivant ces nouveaux résultats. « Ces galaxies sont constituées d'éléments chimiques lourds en quantités beaucoup plus importantes que toute autre galaxie de l'Univers primordial. Nous ne nous attendions pas à ce que l'Univers, encore si jeune, soit si adulte, si évolué chimiquement. »
Lorsque la lumière en provenance du sursaut gamma a traversé les galaxies, le gaz présent a agi à la manière d'un filtre et absorbé une partie de la lumière issue du sursaut gamma à certaines longueurs d'onde. Sans ce sursaut gamma, ces galaxies peu lumineuses nous seraient demeurées invisibles. En analysant soigneusement les empreintes caractéristiques des différents éléments chimiques, l'équipe a été capable de déterminer la composition chimique du gaz froid constituant ces galaxies très éloignées, en particulier sa richesse en éléments lourds.
Nous nous attendions à ce que les galaxies de l'Univers primordial contiennent de plus faibles quantités d'éléments lourds que les galaxies récentes, telles que la Voie Lactée. En effet, les éléments lourds sont produits au cours de la vie et de l'extinction de générations d'étoiles qui enrichissent progressivement le gaz des galaxies (4). Les astronomes peuvent d'ailleurs utiliser l'enrichissement chimique des galaxies pour déterminer leur âge. Mais les nouvelles observations indiquent que quelques galaxies étaient déjà très riches en éléments lourds, moins de deux milliards d'années après le Big Bang. Ce résultat était impensable, récemment encore.
Ces deux jeunes galaxies, nouvellement découvertes, doivent être caractérisées par un prodigieux taux de formation stellaire pour expliquer l'enrichissement si important et si rapide du gaz froid. Ces deux galaxies étant situées à proximité l'une de l'autre, elles doivent probablement être en train de fusionner : les nuages de gaz entrant en collision, la formation d'étoiles se trouve notablement accélérée. Ces nouveaux résultats renforcent l'hypothèse selon laquelle les sursauts gamma peuvent sans doute être associés à de rapides formations d'étoiles massives.
Une formation stellaire si énergique dans les galaxies a dû cesser très tôt dans l'histoire de l'Univers. Douze milliards d'années plus tard, c'est-à-dire aujourd'hui, les vestiges de ces galaxies doivent contenir un grand nombre de restes d'étoiles tels que des trous noirs et des naines froides. Ces vestiges constituent un ensemble de « galaxies mortes » difficiles à détecter parce qu'elles ne sont plus que les pâles reflets de leur éclatante jeunesse. Leur découverte constitue donc un véritable challenge contemporain.
« Nous avons eu beaucoup de chance d'observer le sursaut GRB 090323 dans une phase encore suffisamment lumineuse pour pouvoir l'étudier en détail à l'aide du VLT. Les sursauts gamma ne demeurent brillants que quelques instants et l'obtention de données de bonne qualité est très difficile. Nous espérons observer de nouveau ces galaxies dans le futur, quand nous disposerons d'instruments plus sensibles encore. Elles devraient constituer des cibles parfaites pour l'E-ELT », conclut Savaglio.
Notes
(1) Les sursauts gamma de plus de deux secondes sont considérés comme des sursauts longs ; ceux d'une durée plus courte, comme des sursauts courts. Les sursauts longs, dont celui de cette étude, sont associés à des explosions, sous forme de supernova, de jeunes étoiles massives dans les galaxies à formation stellaire. Les sursauts courts ne sont pas très bien compris, mais l'on suppose qu'ils résultent de la fusion de deux objets compacts tels que des étoiles à neutrons.
(2) L'appellation fait référence à la date à laquelle le sursaut a été découvert, dans ce cas le 23 mars 2009.
(3) Les galaxies ont été observées avec un décalage vers le rouge de 3,57, ce qui signifie que nous les voyons telles qu'elles étaient 1,8 milliard d'années après le Big Bang.
(4) La matière produite par le Big Bang, il y a 13,7 milliards d'années, n'était pratiquement constituée que d'hydrogène et d'hélium. La plupart des éléments lourds tels que l'oxygène, l'azote et le carbone ont été produits plus tard par des réactions thermonucléaires à l'intérieur des étoiles puis ont enrichi le gaz galactique à la mort de ces étoiles. Aussi, on s'attend à ce que la quantité d'éléments lourds dans la plupart des galaxies augmente proportionnellement avec l'âge de l'Univers.
La métallicité (éléments plus lourds que l'hélium) d'une étoile se forme dans les étoiles géantes après qu'elle aient brulé H2 ET He mais il faut bien se mettre dans la tête que au temps zéro, que de l’hydrogène et que tous les métaux lourds existants on été créés par les étoiles.