Les astronomes ont la première preuve directe d'étoiles extrêmement massives de première génération - Kosmonautix.cz

Publié le 12 décembre 2025 à 23h12. Une équipe internationale d’astronomes a découvert la première preuve observationnelle de l’existence d’étoiles géantes, surnommées « étoiles monstres », qui auraient vécu dans l’univers primitif et contribué à la formation des trous noirs supermassifs.

Le mystère de l’origine des trous noirs supermassifs, ces objets parmi les plus brillants de l’univers, préoccupe les astronomes depuis plus de deux décennies. Comment ces géants cosmiques ont-ils pu se former si rapidement, moins d’un milliard d’années après le Big Bang ? Les modèles existants ne parvenaient pas à expliquer une croissance aussi rapide. Aujourd’hui, grâce aux données fournies par le télescope spatial James Webb, une nouvelle étude apporte une réponse potentielle : l’existence d’étoiles d’une masse colossale, entre 1 000 et 10 000 fois celle du Soleil (M⊙).

La découverte repose sur l’analyse des signatures chimiques d’une galaxie lointaine, GS 3073. Menée par des chercheurs de l’Université de Portsmouth (Angleterre) et du Centre d’astrophysique (CfA) de Harvard et du Smithsonian (États-Unis), l’étude a révélé un déséquilibre extrême dans le rapport azote/oxygène, inexplicable par les étoiles connues. En 2022, les mêmes scientifiques avaient déjà théorisé, dans la revue Nature, que des étoiles supermassives pouvaient se former dans des courants rares et turbulents de gaz froid dans l’univers jeune, offrant ainsi une explication à l’existence précoce des quasars (trous noirs extrêmement lumineux).

« Notre dernière découverte contribue à résoudre un mystère cosmique vieux de vingt ans », affirme Daniel Whalen, de l’Institut de cosmologie et de gravitation de l’Université de Portsmouth. Il ajoute : « Avec GS 3073, nous disposons de la première preuve observationnelle de l’existence de ces “étoiles monstres”. Ces géantes cosmiques brillaient brièvement avant de s’effondrer en trous noirs supermassifs, laissant derrière elles des signatures chimiques que nous pouvons détecter des milliards d’années plus tard. C’est un peu comme les dinosaures sur Terre : ils étaient énormes et primitifs, mais leur durée de vie était brève, seulement un quart de million d’années – un instant à l’échelle cosmique. »

La clé de cette avancée réside dans la mesure précise du rapport azote/oxygène dans GS 3073. La galaxie présente un rapport de 0,46, une valeur bien plus élevée que celle que l’on pourrait attendre d’étoiles ou d’explosions d’étoiles conventionnelles. Devesh Nandal, de l’Institut de théorie et de calcul du CfA, explique : « La composition chimique agit comme une empreinte digitale cosmique, et le motif observé dans GS3073 ne correspond à rien de ce que des étoiles ordinaires pourraient créer. Sa teneur extrême en azote n’a d’égale que celle d’un seul type de source que nous connaissons : des étoiles primitives des milliers de fois plus massives que notre Soleil. Cela suggère que la première génération d’étoiles comprenait des objets véritablement supermassifs qui ont contribué à la formation des premières galaxies et qui pourraient être à l’origine des trous noirs supermassifs que nous observons aujourd’hui. »

Les chercheurs ont modélisé l’évolution d’étoiles massives, de 1 000 à 10 000 masses solaires (M⊙), et les éléments qu’elles produisent. Ils ont identifié un mécanisme spécifique qui génère d’importantes quantités d’azote :

Ces étoiles massives « brûlent » de l’hélium dans leur noyau pour créer du carbone.
Le carbone migre vers les couches environnantes, où l’hydrogène est « brûlé ».
Le carbone se combine avec l’hydrogène pour former de l’azote via le cycle CNO (carbone/azote/oxygène).
Des courants convectifs répartissent l’azote dans toute l’étoile.
Finalement, cette matière riche en azote est libérée dans l’espace, enrichissant le gaz environnant.

Ce processus se déroule sur des millions d’années pendant la phase de combustion de l’hélium, créant l’excès d’azote observé dans GS 3073. Les modèles, publiés dans les Letters of the Astrophysical Journal, prédisent également que ces « étoiles monstres » ne finissent pas leur vie en explosant, mais s’effondrent directement en un trou noir de plusieurs milliers de masses solaires. Fait intéressant, GS 3073 abrite un trou noir actif en son centre, qui pourrait être les restes d’une de ces premières étoiles supermassives. Si cette hypothèse est confirmée, cela résoudrait deux énigmes en une seule fois : l’origine de l’azote et la formation du trou noir.

L’étude révèle également que les signatures de l’azote n’apparaissent qu’à une certaine plage de masses. Les étoiles de moins de 1 000 M⊙, ainsi que celles de plus de 10 000 M⊙, ne produisent pas le motif chimique nécessaire à cette signature, suggérant l’existence d’une « zone idéale » pour ce type d’enrichissement. Ces découvertes ouvrent une nouvelle fenêtre sur les premiers centaines de millions d’années de l’univers, une période connue sous le nom d’« âge des ténèbres cosmiques », lorsque les premières étoiles se sont allumées et ont commencé à transformer la chimie simple de l’univers jeune en la riche diversité d’éléments que nous connaissons aujourd’hui. Les chercheurs s’attendent à ce que le télescope spatial James Webb découvre d’autres galaxies présentant des abondances d’azote similaires au fur et à mesure qu’il explorera l’univers primitif, renforçant ainsi l’hypothèse de l’existence de ces premières étoiles ultramassives.