Les chercheurs découvrent des preuves chimiques de la supernova à instabilité de paire à partir d'une première étoile très massive.<br>

7 juin 2023

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par l'Académie chinoise des sciences

Les premières étoiles ont illuminé l'univers pendant l'aube cosmique et ont mis fin aux "âges sombres" cosmiques qui ont suivi le Big Bang. Cependant, la répartition de leur masse est l'un des grands mystères non résolus de l'univers.

Des simulations numériques de la formation des premières étoiles estiment que la masse des premières étoiles atteignait plusieurs centaines de masses solaires. Parmi elles, les premières étoiles d'une masse comprise entre 140 et 260 masses solaires ont fini en tant que supernovae à instabilité de paires (PISNe). Les PISNe sont très différents des supernovae ordinaires (c'est-à-dire les supernovae de type II et de type Ia) et auraient laissé une signature chimique unique dans l'atmosphère des étoiles de la prochaine génération. Cependant, aucune telle signature n'a été trouvée.

Une nouvelle étude dirigée par le professeur Zhao Gang des Observatoires astronomiques nationaux de l'Académie chinoise des sciences (NAOC) a identifié une étoile chimiquement particulière (LAMOST J1010+2358) dans le halo galactique comme preuve claire de l'existence de PISNe à partir de premières étoiles très massives dans l'univers primitif, sur la base de l'enquête du télescope à fibres multi-objets de grande surface (LAMOST) et sur des observations de suivi à haute résolution par le télescope Subaru. Il a été confirmé que cette étoile a été formée dans le nuage de gaz dominé par les rendements d'un PISN de 260 masses solaires.

L'équipe comprend également les chercheurs des Observatoires du Yunnan de l'AC, de l'Observatoire astronomique national du Japon et de l'Université Monash, en Australie.

Cette étude a été publiée en ligne dans Nature.

L'équipe de recherche a effectué une observation spectroscopique haute résolution de suivi pour J1010+2358 avec le télescope Subaru et a dérivé des abondances pour plus de dix éléments. La caractéristique la plus importante de cette étoile est sa teneur extrêmement faible en sodium et en cobalt. Son rapport sodium/fer est inférieur à 1/100 de la valeur solaire. Cette étoile présente également une très grande variance d'abondance entre les éléments d'un nombre impair et pair de charge, tels que le sodium/magnésium et le cobalt/nickel.

« La variance étrange impair-pair, ainsi que les déficiences en sodium et en α-éléments dans cette étoile, sont cohérentes avec la prédiction de PISN primordiale à partir de premières générations d'étoiles de 260 masses solaires », a déclaré le Dr Xing Qianfan, premier auteur de l'étude.

La découverte de J1010+2358 est une preuve directe de l'instabilité hydrodynamique due à la production de paires électron-positron dans la théorie de l'évolution des étoiles très massives. La création de paires électron-positron réduit la pression thermique à l'intérieur du noyau d'une étoile très massive et entraîne un effondrement partiel.

« Elle fournit un élément essentiel pour contraindre la fonction de masse initiale dans l'univers primitif », a déclaré le professeur Zhao Gang, auteur correspondant de l'étude. « Avant cette étude, aucune preuve de supernovae provenant d'étoiles aussi massives n'avait été trouvée dans les étoiles pauvres en métaux ».

De plus, l'abondance de fer de LAMOST J1010+2358 ([Fe/H] = -2,42) est beaucoup plus élevée que celle des étoiles les plus pauvres en métaux dans le halo galactique, ce qui suggère que les étoiles de la deuxième génération formées dans le gaz dominé par les PISNe peuvent être plus riches en métaux que prévu.

« L'un des Graals de la recherche des étoiles pauvres en métaux est de trouver des preuves de ces supernovae à instabilité de paires précoces », a déclaré le professeur Avi Loeb, ancien président du département d'astronomie de l'université de Harvard.

Le professeur Timothy Beers, président de chaire de provost d'astrophysique à l'université Notre Dame, a commenté les résultats: « Ce document présente ce qui est, à ma connaissance, la première association définitive d'une étoile du halo galactique avec un modèle d'abondance provenant d'un PISN ».

Plus d'informations: Zhao Gang et al, A metal-poor star with abundances from a pair instability supernova, Nature (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-06028-1, https://www.nature.com/articles/s41586-023-06028-1

Journal information: Nature

Fourni par Académie chinoise des sciences