premières étoiles

À 40 années-lumière de nous se trouve une étoile longtemps passée inaperçue : TRAPPIST-1 émet dans l'espace deux mille fois moins de lumière que le Soleil. En revanche, elle possède sept planètes de la taille de la Terre, dont trois orbitent dans la zone où l'eau pourrait rester liquide. Mais on savait peu de choses sur l'étoile elle-même, sur sa chimie interne.

Trois armoires remplies de pierres. Dans la première, des grains métalliques et un minéral gris, l'enstatite ; dans la deuxième, les mêmes grains, mais avec des veines rouillées ; dans la troisième, des argiles stratifiées, gonflées d'eau. Ces trois ensembles proviennent de météorites tombées sur Terre, des chondrites.

L'interprète sursaute au moindre bruit dans la salle — et une réunion d'une heure s'étire sur deux. Une étoile à neutrons comprime la masse du Soleil dans une sphère de la taille d'une ville, et la matière en son cœur est plus dense que le noyau atomique. Les physiciens ne peuvent pas vérifier sa structure en laboratoire : la pression requise est impossible à créer.

Deux toupies tournent si près l'une de l'autre qu'elles se frôlent presque. L'une est d'un bleu incandescent, l'autre d'un blanc terne. Ensemble, elles font un tour complet en vingt heures. C'est la paire Feige 64 : une étoile bleue d'un tiers de la masse du Soleil et une naine blanche — le noyau refroidi d'une ancienne étoile — une fois et demie plus lourde que notre astre.

Deux étoiles tournent l'une autour de l'autre comme des danseurs qui se rapprochent puis s'éloignent. Avec le temps, l'une enfle et ses couches externes se déversent sur sa voisine. Celle qui reçoit la matière étrangère ne se distingue en rien d'une étoile solitaire — mais sa surface se souvient de tout.

Dans les tout premiers instants après le Big Bang, la matière et l'antimatière auraient dû naître en quantités égales. Mais aujourd'hui, tout autour de nous n'est que matière ordinaire, et l'antimatière est quasi introuvable. Où est-elle passée ?

Une étoile n'est pas qu'un soleil lointain. C'est un berceau pour les planètes, qui conserve dans sa lumière l'histoire de la naissance de tout le système. La composition chimique d'une étoile, c'est son ADN.

Les étoiles les plus massives ressemblent à des ballons trop gonflés : leur enveloppe ne s’étire plus, elle commence au contraire à laisser échapper rapidement de la matière. À un certain stade, la perte de masse devient si forte que l’étoile cesse d’augmenter en taille.

Dans les profondeurs noires du cosmos, à la surface de minuscules grains de glace, se déroule un chantier silencieux. Là où la température chute presque jusqu'au zéro absolu et où règne un rayonnement intense, l'acide aminé glycine (la brique protéique la plus simple) s'assemble avec lui-même.

La galaxie NGC 4254 se trouve à un million et demi d'années-lumière du centre de l'amas de la Vierge. Elle traîne derrière elle un long filament d'hydrogène en refroidissement – signe qu'elle s'engouffre à pleine vitesse dans le gaz surchauffé.

Un jeune amas d'étoiles ressemble à un orchestre avant le concert : chaque instrument s'accorde à sa manière, et le bourdonnement général semble chaotique. Mais si l'on tend l'oreille, on peut distinguer des notes individuelles.

Dans l'Univers jeune, à peine quelques centaines de millions d'années après le Big Bang, les astronomes observent d'étranges objets : de petits points rouges. Ils sont compacts, rouges, et dans leurs spectres, les larges raies de Balmer trahissent la présence de trous noirs supermassifs.

Il faut presque deux mois au couple stellaire J05+50 pour boucler une orbite autour de leur centre commun. Depuis la Terre, il apparaît comme un point faible dans la constellation d’Hercule, à 4625 parsecs de nous. La photométrie de l’étoile binaire ne montre qu’un lent balancement de luminosité, tel le pouls d’un cœur géant.

Quinze années d'observations du télescope à rayons gamma Fermi ont révélé une fissure dans le plancher de la Galaxie. Au sud de l'amas Westerlund 1 — l'amas stellaire jeune le plus massif de la Voie lactée — une émission étendue a été détectée, coïncidant avec une cavité dans l'hydrogène atomique.

En 2016, les astronomes ont vu l'incroyable : une étoile lointaine, nommée Icare, a brillé pendant quelques semaines, traversant l'abîme de l'espace. C'était l'effet de lentille gravitationnelle — un effet prédit par Einstein : un objet massif courbe l'espace-temps et focalise la lumière, telle une loupe géante.

La nébuleuse d'Orion est la vitrine de l'astrophysique, un laboratoire pour étudier la formation stellaire à nos côtés. Depuis plus d'un siècle, sa lumière est décomposée en spectres, et chaque raie interdite murmure sa version du nombre d'électrons par centimètre cube.

En 1981, Alan Guth a proposé le scénario de l'inflation cosmologique — une expansion fulgurante de l'espace qui a étiré les fluctuations quantiques jusqu'à l'échelle de galaxies entières.

Dans un gigantesque berceau cosmique — la nébuleuse de la Tarentule — des astronomes ont examiné 122 étoiles massives. Chacune est au moins 30 fois plus lourde que le Soleil. Ils ont mesuré la teneur en azote de leurs atmosphères, et le tableau s'est révélé inattendu.

Imaginez un manuscrit ancien sur lequel une nouvelle histoire a été écrite par-dessus l'ancien texte. Avec le temps, la couche supérieure s'amincit et laisse transparaître les lignes du passé. C'est exactement ainsi, tel un palimpseste, que sont faits les amas globulaires, les systèmes stellaires les plus vieux de l'Univers.

Le modèle cosmologique standard ΛCDM, où la matière noire et l'énergie noire jouent les architectes en chef de l'Univers, prédit depuis des décennies les données astronomiques avec la précision d'un chronomètre suisse. Trois génies en ont posé les fondations.

Il y a deux mille ans, dans la constellation de l'Éridan, brillait un phare lumineux, inscrit dans les registres des astronomes antiques. Hipparque, en 129 avant J.-C., le nota comme une étoile de première magnitude ; Ptolémée, dans l'Almageste, confirma son éclat ; et le savant perse al-Soufi, en 964, le voyait encore parmi les plus brillantes.

Juste après le Big Bang, l'Univers était un désert chimique — seulement de l'hydrogène et de l'hélium, aucune trace de métaux. Mais quelques instants plus tard (à l'échelle cosmique), la formation des premières étoiles a commencé — la population III.

Imaginez une forêt plantée en une seule journée. De prime abord, tous les arbres se ressemblent, mais leurs troncs racontent des histoires différentes : certains ont poussé sur un sol vierge, d'autres sur les cendres d'anciens incendies.

Au centre d'une galaxie, la gravité condense la matière noire en une « épine » dense. Une telle épine de matière noire ressemble à un entonnoir de particules invisibles autour d'un corps massif. Mais si le centre et les particules sont des trous noirs primordiaux, le tableau se brise.

Les galaxies lenticulaires sont les « discrètes » du cosmos : elles ont un disque, mais pas de bras spiraux brillants. Leur origine est restée longtemps mystérieuse. Une équipe de scientifiques a lancé la simulation informatique Hydrangea et a suivi le destin de chaque galaxie, de sa jeunesse à nos jours.

Les étoiles naissent dans des nuages froids de poussière cosmique et d'hydrogène. À l'intérieur de ces cocons, les protoétoiles – les noyaux des futures étoiles – ont longtemps été considérées comme de simples amas chauds.

Uranus et Neptune étaient autrefois considérées comme des géantes de glace, en raison des épaisses couches d'eau, de méthane et d'ammoniac gelés que l'on pensait y trouver.

La galaxie NGC 1277 ressemble à un vieux livre que personne n'a ouvert depuis des milliards d'années. Elle s'est formée rapidement, à l'aube de l'Univers, et n'a presque pas changé depuis — pas de collision avec des voisines, pas de nouvelles couches ajoutées.

Le télescope James Webb a plongé son regard dans le disque de gaz et de poussière entourant une jeune étoile, là où naissent les planètes, et y a pour la première fois distingué de la glace d'eau lourde.

L'Univers résonne. Pas au sens habituel — sa symphonie est inscrite dans les infimes variations de densité dont sont issues les galaxies et nous-mêmes.

Les galaxies elliptiques sont de paisibles métropoles stellaires à la retraite. Selon toutes les lois, leur lumière devrait être calme, rougeâtre, comme un coucher de soleil. Mais les spectres crient le contraire : dans l'ultraviolet lointain, ces vieilles dames flambent comme des guirlandes de Noël.

Au cœur de la Voie lactée, dans le nuage G+0.693, les astronomes ont capté un signal sucré : les raies d'émission de l'érythrulose, un sucre simple à quatre atomes de carbone et quatre oxygène.

L'Univers est un cuisinier génial, et le Big Bang est sa recette parfaite. L'hydrogène a levé comme une pâte aérienne, l'hélium a fondu comme un délice, mais le lithium-7 semble avoir été trop salé : la théorie en prédit trois fois plus que ce que les astronomes trouvent dans les étoiles les plus anciennes.

Dans le théâtre silencieux du cosmos, la pièce de la vie d'une étoile se joue sur des milliards d'années. Mais parfois, un metteur en scène invisible s'invite sur scène : un trou noir primordial.

Dans un orchestre, chaque musicien joue sa partition, mais à un moment donné, tous les instruments s'arrêtent sur une même note. C'est à peu près ce que font les rayons cosmiques — ces particules qui nous parviennent depuis des étoiles lointaines.

Au cœur de la nébuleuse de l'Aigle, à environ 7000 années-lumière de nous, se dressent trois colonnes géantes de gaz et de poussière – les Piliers de la Création. Leur forme est familière à beaucoup grâce aux images du télescope Hubble.

La comptabilité cosmique a déraillé. Le comptable fait le bilan : dans une colonne, toutes les planètes que les astronomes ont recensées dans la Galaxie ; dans l'autre, les réserves de matériaux de construction dans les cocons de poussière des étoiles nouveau-nées. Les chiffres ne collent pas.

Dans la famille des résidus ultra-denses d'étoiles mortes, un vide a longtemps béé. Les étoiles à neutrons — des toupies fulgurantes de la taille d'une ville — dépassent rarement deux masses solaires. Les trous noirs commencent aux alentours de cinq masses solaires. Entre les deux, un « gouffre » où l'on n'a trouvé aucun objet pendant des décennies.

Juste après le Big Bang, des amas pesant un trillion de soleils et porteurs d'une charge électrique colossale – comme des trillions de ballons électrisés – ont pu flotter dans l'espace.

Dans le centre densément peuplé de la galaxie, deux étoiles tournent si près l'une de l'autre que l'une arrache les couches externes de l'autre — comme le vent emporte un vêtement. Il reste un noyau d'hélium brûlant, une étoile sans enveloppe d'hydrogène.