Une étoile de 2ème génération extrêmement rare découverte dans une ancienne galaxie naine

Des astronomes ont découvert l’une des étoiles les plus chimiquement primitives jamais identifiées – une ancienne relique stellaire qui préserve l’empreinte chimique des toutes premières étoiles de l’Univers. Cette étoile, nommée PicII-503, réside dans la petite galaxie naine ultra-faible Pictor II. La découverte a été rendue possible par la Dark Energy Camera (DECam) fabriquée par le département américain de l’Énergie, montée sur le télescope Víctor M. Blanco de 4 mètres de la National Science Foundation américaine, à l’observatoire interaméricain Cerro Tololo (CTIO) de la NSF au Chili, un programme du NOIRLab de la NSF.

Pictor II est située dans la constellation du Peintre. Elle contient plusieurs milliers d’étoiles et est âgée de plus de dix milliards d’années. PicII-503 se trouve en périphérie de la galaxie, et elle contient moins de fer que toute autre étoile jamais mesurée en dehors de la Voie lactée, tout en ayant une surabondance extrême de carbone. Ces signatures correspondent sans équivoque à celles des étoiles enrichies en carbone trouvées dans les régions externes de la Voie lactée, dont les origines étaient, jusqu’à présent, mystérieuses.

L’étude a été dirigée par Anirudh Chiti, boursier Brinson Prize à l’université Stanford, et les résultats sont présentés dans un article paru dans Nature Astronomy.

Les premières étoiles de l’Univers se sont formées à partir de gaz ne contenant que des éléments simples, l’hydrogène et l’hélium. Au sein de leurs noyaux ardents, cette première génération d’étoiles a créé les premiers éléments plus lourds que l’hélium, comme le carbone et le fer, que les astronomes appellent « métaux ». Lorsque ces étoiles ont explosé, elles ont libéré leurs éléments lourds dans le milieu interstellaire pour être recyclés dans la génération suivante d’étoiles.

Les étoiles de deuxième génération sont comme des capsules temporelles, préservant les faibles quantités d’éléments lourds libérés lors des morts explosives des étoiles de première génération. En recherchant ces étoiles rares à faible métallicité et en déterminant leur chimie, les scientifiques peuvent mieux comprendre les mécanismes de production initiale des éléments dans l’Univers.

PicII-503 est le premier exemple sans ambiguïté d’une étoile de deuxième génération dans une galaxie naine ultra-faible. Elle a été découverte dans les données de l’enquête DECam MAGIC (Mapping the Ancient Galaxy in CaHK), un programme d’observation de 54 nuits conçu pour identifier les étoiles les plus anciennes et les plus chimiquement primitives de la Voie lactée et de ses galaxies naines compagnes. En utilisant un filtre à bande étroite spécialisé sensible aux raies d’absorption du calcium, les astronomes ont pu estimer la teneur en métaux de milliers d’étoiles à partir des seules données d’imagerie.

Parmi les centaines d’étoiles près de Pictor II, les données MAGIC ont isolé PicII-503 comme une candidate exceptionnellement pauvre en métaux, permettant aux chercheurs de la cibler pour une étude détaillée de suivi. « Sans les données de MAGIC, il aurait été impossible d’isoler cette étoile parmi les centaines d’autres étoiles à proximité de la galaxie naine ultra-faible Pictor II », explique Chiti.

En combinant les données de MAGIC, du télescope Magellan/Baade, et du Très Grand Télescope de l’ESO, l’équipe a constaté que PicII-503 présente les abondances de fer et de calcium les plus faibles jamais mesurées en dehors de la Voie lactée. Cette pauvreté en fer et en calcium en fait le premier objet qui préserve clairement l’enrichissement des premières étoiles dans une galaxie naine relique.

« Découvrir une étoile qui préserve de manière incontestable les métaux lourds des premières étoiles était à la limite de ce que nous pensions possible, compte tenu de l’extrême rareté de ces objets », souligne Chiti. « Avec l’abondance de fer la plus faible jamais dérivée dans une galaxie naine ultra-faible, PicII-503 offre une fenêtre sur la production initiale des éléments au sein d’un système primordial sans précédent. »

Plus remarquable encore, l’équipe a découvert que PicII-503 a un rapport carbone sur fer plus de 1500 fois supérieur à celui du Soleil. Cette surabondance correspond à la signature distinctive en carbone des étoiles pauvres en fer observées depuis longtemps dans le halo de la Voie lactée. Celles-ci sont connues sous le nom d’étoiles pauvres en métaux enrichies en carbone, et leur origine est restée inconnue jusqu’à présent.

Une hypothèse est que les étoiles pauvres en métaux enrichies en carbone sont des étoiles de deuxième génération qui préservent les éléments chimiques produits par les supernovae de faible énergie des étoiles de première génération. Au cours de ce processus, les éléments lourds qui se forment près de l’intérieur de l’étoile, comme le fer, retombent dans l’objet compact résiduel, tandis que les éléments plus légers proches des régions externes de l’étoile, comme le carbone, sont éjectés dans le milieu interstellaire pour ensemencer la formation de la génération suivante d’étoiles.

PicII-503 soutient l’explication des supernovae de faible énergie car elle se trouve dans l’une des plus petites galaxies naines que nous connaissions. Si la supernova qui a produit les métaux trouvés dans PicII-503 avait été de haute énergie, alors les éléments auraient échappé à l’attraction gravitationnelle de la petite galaxie naine Pictor II. PicII-503 démontre également que les étoiles pauvres en métaux enrichies en carbone observées dans le halo de la Voie lactée proviennent probablement d’anciennes galaxies naines reliques qui ont, au fil du temps, fusionné avec la nôtre.

« Ce qui m’enthousiasme le plus, c’est que nous avons observé un résultat de la production élémentaire initiale dans une galaxie primitive, ce qui est une observation fondamentale ! », s’exclame Chiti. « Cela établit aussi un lien clair avec la signature que nous avons vue dans les étoiles du halo de la Voie lactée à la métallicité la plus faible, reliant leurs origines et la nature enrichie par les premières étoiles de ces objets. »

« Des découvertes comme celle-ci sont de l’archéologie cosmique, mettant au jour de rares fossiles stellaires qui préservent les empreintes des premières étoiles de l’Univers », déclare Chris Davis, directeur de programme de la NSF pour NOIRLab. « Nous attendons avec impatience de nombreuses autres découvertes avec le début du Legacy Survey of Space and Time de l’observatoire NSF–DOE Rubin plus tard cette année. »

PicII-503 offre un aperçu rare et direct du premier chapitre de l’évolution chimique de l’Univers, un moment fondateur qui a finalement préparé le terrain pour les planètes, la chimie et la vie elle-même. Elle relie également des mystères de longue date concernant les étoiles anciennes de la Voie lactée à leurs origines dans les galaxies naines primordiales.

NSF NOIRLab, le centre américain de la National Science Foundation pour l’astronomie optique-infrarouge au sol, exploite l’ International Gemini Observatory (une installation de la NSF, NRC–Canada, ANID–Chile, MCTIC–Brazil, MINCyT–Argentina, et KASI–Republic of Korea), le Kitt Peak National Observatory (KPNO) de la NSF, le Cerro Tololo Inter-American Observatory (CTIO) de la NSF, le Community Science and Data Center (CSDC), et le Vera C. Rubin Observatory de la NSF–DOE (en coopération avec le DOE et le SLAC National Accelerator Laboratory). Il est géré par l’Association of Universities for Research in Astronomy (AURA) dans le cadre d’un accord de coopération avec la NSF et son siège est à Tucson, en Arizona.

La communauté scientifique est honorée d’avoir l’opportunité de mener des recherches astronomiques sur I’oligam Du’ag (Kitt Peak) en Arizona, sur Maunakea à Hawai‘i, et sur Cerro Tololo et Cerro Pachón au Chili. Nous reconnaissons et respectons le rôle culturel très important et la vénération d’I’oligam Du’ag pour la nation Tohono O’odham, et de Maunakea pour la communauté Kanaka Maoli (autochtones hawaïens).

Article : Enrichment by the first stars in a relic dwarf galaxy – Journal : Nature Astronomy – DOI : Lien vers l’étude

Source : AURA