nucléosynthèse des premières étoiles

Imaginez trois témoins qui ont vu le même événement. Deux racontent la même histoire, le troisième diffère. À qui se fier ? C'est exactement la situation à laquelle les astronomes sont confrontés en mesurant le carbone dans l'étoile J0815+4729, un objet très ancien avec une teneur en fer exceptionnellement basse (carbone est l'un des éléments…

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.

Imaginez deux toupies lancées sur une table. Si elles tournent dans le même sens, leur rotation totale est grande ; si elles tournent en sens inverse, la rotation totale peut être nulle, alors que chaque toupie tourne rapidement individuellement. Dans une paire d'étoiles à neutrons qui se rapprochent avant la fusion, ces toupies sont leurs rotations propres, c'est-à-dire leurs spins.

Une étoile à neutrons est ce qui reste après l'explosion d'une étoile massive. La matière y est comprimée si fort qu'une cuillère à café pèserait des milliards de tonnes. Dans ces conditions, les protons et les neutrons peuvent se réarranger, et de nouvelles particules apparaissent – les hypérons, semblables aux neutrons mais contenant un quark « étrange ».

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.

Au cours des premiers demi-milliards d'années après le Big Bang, les galaxies poussaient comme du chiendent. Le gaz s'y engouffrait à toute vitesse et s'effondrait en étoiles sans rencontrer de résistance. Cette période est appelée « formation d'étoiles sans entrave ».

Autour des jeunes étoiles tourbillonnent de plats nuages de gaz et de poussière — les futures systèmes planétaires. À l'intérieur de certains d'entre eux, un vide béant : la poussière et le gaz ont été balayés, comme si quelqu'un avait éclairci le milieu d'un disque vinyle.

Après l'explosion d'une supernova, il reste au centre une boule dense de la taille d'une ville : une étoile à neutrons naissante. Elle est chaude, comprimée, et vibre comme une cloche après un coup.

Le noyau d'uranium-235, après avoir capturé un neutron lent, ne se fragmente pas immédiatement. D'abord, il semble rester coincé dans deux « puits » – des états de formes différentes. Le premier, fondamental, est une goutte légèrement allongée. Le second, isomérique, est une goutte plus étirée, mais pas encore rompue.

Dans la fournaise de la formation stellaire, la température atteint 900 degrés — comme dans un haut-fourneau incandescent. C'est dans cette chaleur extrême que naissent les cristaux cosmiques.

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.

L'Univers a résonné intensément dans ses premiers instants. À l'époque de l'inflation, lorsque l'expansion de l'espace dépassait la vitesse de la lumière, les énergies en jeu étaient colossales — des milliers de milliards de fois supérieures à celles du Grand collisionneur de hadrons.

Trois minutes après le Big Bang, l'Univers jouait sa première symphonie. C'était la nucléosynthèse du Big Bang — la formation des noyaux légers, où chaque élément sonnait sa note, et le tempo était donné par l'expansion de l'espace.

Une boule de billard en heurte une autre dans l'obscurité totale. Le bruit de l'impact et le cliquetis des billes tombant dans les poches — voilà tout ce que l'on entend. C'est à peu près ainsi que les physiciens étudient les interactions des particules élémentaires à des énergies qu'aucun accélérateur terrestre ne peut reproduire.

L'Univers refroidissait comme une baignoire géante après un début brûlant. 400 000 ans après le Big Bang, l'hydrogène était déjà prêt à se recombiner — les protons capturaient les électrons pour devenir des atomes neutres. Mais quelque part dans cette eau sombre, un robinet continuait de goutter.

Les trois premières minutes après la naissance du monde : une cuisine cosmique où la nature a préparé les noyaux atomiques les plus légers. La recette est dictée par la gravité : elle contrôle le rythme de refroidissement du « bouillon » chaud de particules.

Le télescope « James Webb » a plongé son regard dans une époque où l'Univers avait moins d'un milliard d'années et y a aperçu d'étranges objets — des « petits points rouges ». Ce sont des trous noirs de la masse de millions de soleils, mais nichés dans des galaxies très compactes et chimiquement presque intactes.

Longtemps, la cosmologie a été dominée par une conviction héritée de Stephen Hawking : à l'ère du rayonnement, les trous noirs primordiaux ne grandissent pas.

Pendant longtemps, les astronomes ont cherché les « usines » des rayons cosmiques les plus énergétiques, ces particules qui portent en elles le macrocosme compressé à l'échelle du noyau atomique. Les suspects étaient les colossales régions de formation d'étoiles comme Cygnus OB2, où les vents des jeunes géantes entrent en collision.

Au fin fond de l'espace, au centre d'une galaxie. Un trou noir supermassif est entouré d'un disque incandescent de gaz et de poussière. Et voilà qu'à travers ce voile de feu, avec une périodicité de quelques heures, une étoile s'élance — telle une flèche décochée par l'arc de la gravité.

Les étoiles à neutrons — vestiges de supernovae — sont parmi les objets les plus denses de l'Univers. Leur densité centrale dépasse de plusieurs fois la densité nucléaire, et leur gravité n'est surpassée que par les trous noirs.

Les étoiles massives sont des titans cosmiques dont la vie se déroule sous le signe d'une énergie indomptable. Lorsqu'une telle étoile entre dans la phase de supergéante B[e], son rayonnement est si puissant qu'il semblerait capable de pulvériser toute molécule en atomes.

Une sphère presque sans poids pour sa taille tourne autour de son étoile tous les quatre jours. La planète TOI-2195 A b est une véritable énigme : par sa masse, elle est un peu plus lourde que Neptune, mais elle s'est gonflée jusqu'à atteindre des volumes jupitériens. S'il existait un océan assez grand, cette exoplanète flotterait à sa surface, tel un énorme ballon gonflable.

Une casserole de bouillie qui bout à feu vif : les bulles remontent les grains du fond à la surface. Un mécanisme similaire opère sur une étoile à neutrons. Accumulant hydrogène et hélium de l'étoile voisine, elle déclenche de temps à autre une explosion nucléaire puissante — un sursaut X.

L'amas de galaxies de Persée est une mégalopole géante de milliers d'îles stellaires, baignée dans un océan invisible de gaz surchauffé. Ce gaz, telle une brume urbaine, conserve les traces de toutes les usines chimiques qui ont fonctionné dans les galaxies pendant des milliards d'années : les explosions de supernovae qui dispersent des atomes fraîchement forgés.

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 est plein d'invisible. Nous connaissons la matière noire par la rotation des galaxies et les lentilles gravitationnelles, mais sa nature nous échappe depuis un siècle.

Une étoile à neutrons est une lentille gravitationnelle qui focalise nos tentatives d'apercevoir la matière noire. À travers sa matière ultra-dense, comme à travers un verre exotique, nous cherchons l'axion — une particule insaisissable capable d'expliquer la masse cachée de l'Univers.

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.

Les étoiles à neutrons sont des « glaçons » cosmiques d'une densité inimaginable : une cuillère à soupe de leur matière pèserait plus lourd que le mont Everest.

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.

Grâce au télescope James Webb, des astronomes ont plongé leur regard dans un ancien quasar, le cœur éblouissant d'une galaxie où un trou noir géant aspire la matière. Il s'avère que ce dernier ne fait pas que détruire, il crée aussi : ses puissants jets et ses ondes de choc agissent comme un véritable moulin cosmique.

Les deux premiers milliards d'années après le Big Bang — une époque où l'Univers ressemblait à un chantier bouillonnant. La matière noire agglomérait le gaz en amas, qui s'embrasait en premières étoiles.

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.

Une casserole de bouillie bouillante, où au lieu de grains se trouvent des couches d'oxygène et de silicium, et où le feu en dessous est sur le point de s'éteindre, l'étoile s'effondrant sur elle-même.

Dans un parc urbain, les arbres poussent plus vite que dans une forêt profonde. Non parce que le sol y est meilleur, mais parce que les branches s'y entrecroisent plus souvent et que les graines s'y échangent. C'est à peu près ce que vivent les galaxies du protomamasque de la Toile — un immense amas de matière qui, dans des milliards d'années, deviendra un amas mature.

Un archéologue tient entre ses mains non pas un tesson d'argile, mais une véritable étoile — un moulage vivant de l'époque où l'Univers apprenait tout juste à produire quelque chose de plus lourd que le lithium. C'est exactement ce genre de découverte que décrivent des astronomes dans une nouvelle étude.

Deux paquebots naviguent de nuit, tous feux éteints. L'un a été assemblé en chantier naval à partir de tôles d'acier, l'autre semble avoir surgi tout seul de l'écume et des vagues. À l'oreille, ils sont presque indiscernables, mais un hydroacousticien expérimenté saurait déceler la différence dans le ronronnement des hélices et la forme de la coque.

Une ampoule qui ne grille pas, mais qui s'emballe et devient de plus en plus brillante jusqu'à faire voler en éclats tout le luminaire. C'est à peu près ainsi que meurent les étoiles les plus massives de l'Univers. Lorsque le cœur d'une étoile atteint des milliards de degrés, des paires de particules commencent à s'y créer : des électrons et leurs antiparticules, les positons.

Un interprète, lors de négociations cruciales, se met soudain à parler une autre langue – et le sens de ses propos change du tout au tout. C'est à peu près ce que font les neutrinos au cœur d'une étoile mourante. Ces particules invisibles naissent en quantités énormes lorsque le noyau de l'étoile se comprime en une boule de la taille d'une ville.