À l'aide du télescope spatial James Webb (JWST), une équipe internationale d'astronomes dirigée par l'Université de Cambridge a observé une très jeune galaxie dans l'univers primitif et a découvert qu'elle contenait des quantités surprenantes de carbone, l'un des germes de la vie telle que nous la connaissons.
Tous les autres éléments qui composent l’univers que nous observons aujourd’hui se sont formés à l’intérieur d’une étoile. Lorsque les étoiles explosent sous forme de supernovas, les éléments qu’elles produisent circulent dans toute leur galaxie hôte, donnant ainsi naissance à la prochaine génération d’étoiles. Avec chaque nouvelle génération d'étoiles et de « poussières d'étoiles », davantage de métaux se forment et, après des milliards d'années, l'univers évolue jusqu'à un point où il peut accueillir des planètes rocheuses comme la Terre et la vie comme nous.
La capacité de retracer l'origine et l'évolution des éléments lourds nous aidera à comprendre comment nous sommes passés d'un univers presque entièrement composé de seulement deux éléments chimiques à l'incroyable complexité que nous voyons aujourd'hui.
"Les toutes premières étoiles sont le Saint Graal de l'évolution chimique", a déclaré l'auteur principal, le Dr Francesco D'Eugenio, de l'Institut Kavli de cosmologie de Cambridge. "Comme ils sont constitués uniquement d'éléments primordiaux, ils se comportent très différemment des étoiles modernes. En étudiant comment et quand les premiers éléments lourds se sont formés à l'intérieur des étoiles, nous pouvons fixer un calendrier pour les premières étapes du chemin qui a conduit à la formation de la vie. "
Le carbone est un élément fondamental dans l’évolution de l’univers, car il peut se former en grains de poussière qui s’agglutinent pour finalement former les premiers planétésimaux et les premières planètes. Le carbone est également essentiel à la formation de la vie sur Terre.
"Des recherches antérieures suggéraient que le carbone avait commencé à se former en grande quantité relativement tard, environ un milliard d'années après le Big Bang", a déclaré le co-auteur, le professeur Roberto Maiolino, également de l'Institut Kavli. "Mais nous avons découvert que le carbone s'est formé beaucoup plus tôt : il pourrait même s'agir de l'éélemnts lourd le plus ancien de tous."
L’équipe a utilisé le JWST pour observer une galaxie très lointaine – l’une des galaxies les plus lointaines jamais observées – à peine 350 millions d’années après le Big Bang, il y a plus de 13 milliards d’années. Cette galaxie est compacte et de faible masse, environ 100 000 fois moins massive que la Voie lactée.
"Ce n'est qu'un embryon de galaxie lorsque nous l'observons, mais il pourrait évoluer vers quelque chose d'assez grand, de la taille de la Voie lactée", a déclaré D'Eugenio. "Mais pour une si jeune galaxie, c'est assez massif."
Les chercheurs ont utilisé le spectrographe proche infrarouge (NIRSpec) de Webb pour décomposer la lumière provenant de la jeune galaxie en un spectre de couleurs. Différents éléments laissent différentes empreintes chimiques dans le spectre de la galaxie, permettant à l'équipe de déterminer sa composition chimique. L'analyse de ce spectre a montré une détection sûre du carbone et des détections provisoires de l'oxygène et du néon, bien que d'autres observations soient nécessaires pour confirmer la présence de ces autres éléments.
"Nous avons été surpris de voir du carbone si tôt dans l'univers, car on pensait que les premières étoiles produisaient beaucoup plus d'oxygène que de carbone", a déclaré Maiolino. "Nous pensions que le carbone s'était enrichi beaucoup plus tard, par des processus totalement différents, mais le fait qu'il apparaisse si tôt nous indique que les toutes premières étoiles ont pu fonctionner de manière très différente."
Selon certains modèles, lorsque les premières étoiles ont explosé en supernova, elles auraient libéré moins d’énergie que prévu initialement. Dans ce cas, le carbone, qui se trouvait dans la coque externe des étoiles et était moins lié gravitationnellement que l'oxygène, aurait pu s'échapper plus facilement et se propager dans toute la galaxie, tandis qu'une grande quantité d'oxygène retombait et s'effondrait dans un trou noir.
"Ces observations nous indiquent que le carbone peut s'enrichir rapidement dans l' univers primitif ", a déclaré D'Eugenio. "Et comme le carbone est fondamental pour la vie telle que nous la connaissons, il n'est pas nécessairement vrai que la vie a dû évoluer beaucoup plus tard dans l'univers. Peut-être que la vie est apparue beaucoup plus tôt, même si s'il y avait de la vie ailleurs dans l'univers, elle aurait pu évoluer très différemment de c'est ce qui s'est produit ici sur Terre.
Les résultats ont été acceptés pour publication dans la revue Astronomy & Astrophysics et sont basés sur les données obtenues dans le cadre du JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES). L'article est actuellement disponible sur le serveur de préimpression arXiv.
Plus d'informations : Francesco D'Eugenio et al, JADES : Enrichissement en carbone 350 Myr après le Big Bang dans une galaxie riche en gaz, arXiv (2023). DOI : 10.48550/arxiv.2311.09908
Fourni par l'Université de Cambridge