Elles étaient 10 000 plus massives que notre Soleil, brûlaient comme des fournaises cosmiques et ne pouvaient exister qu’une seule fois dans l’histoire de l’univers. Pendant vingt ans, les astronomes ont cherché la preuve de leur existence. Le télescope James Webb vient enfin de la trouver, cachée dans un déséquilibre chimique que personne d’autre ne pouvait créer.

L’énigme des origines

Après le Big Bang, l’univers était d’une simplicité déconcertante. Pas de carbone, pas de fer, pas d’oxygène. Seulement trois éléments dans toute l’immensité cosmique : l’hydrogène, l’hélium et quelques traces de lithium. Tous les autres éléments qui composent aujourd’hui notre monde, notre corps et notre réalité sont nés bien plus tard, forgés dans le cœur des étoiles.

Mais ces premières étoiles, celles qui ont transformé l’univers primitif en une usine chimique capable de produire la vie, demeuraient théoriques. Les astronomes pouvaient calculer leur taille maximale, estimer leur durée de vie, modéliser leur comportement. Pourtant, aucune observation directe ne venait confirmer leur existence réelle. Jusqu’à maintenant.

Le télescope spatial James Webb a pointé son regard infrarouge vers la galaxie GS 3073, dont la lumière a voyagé pendant plus de douze milliards d’années avant d’atteindre nos détecteurs. Cette lumière provient d’une époque où l’univers n’avait qu’un milliard d’années, une période cruciale où les premières structures cosmiques prenaient forme.

Une signature impossible à contrefaire

L’équipe menée par Devesh Nandal du Centre d’astrophysique Harvard-Smithsonian ne cherchait pas les étoiles elles-mêmes, disparues depuis des éons. Ils traquaient leur signature chimique, l’empreinte indélébile qu’elles auraient laissée dans leur galaxie hôte. Et cette empreinte, ils l’ont trouvée.

GS 3073 présente un rapport azote/oxygène de 0,46. Pour le profane, ce chiffre ne signifie pas grand-chose. Pour les astrophysiciens, c’est une anomalie sidérante. Aucune explosion stellaire connue ne produit un tel déséquilibre. Aucune étoile contemporaine ne peut générer une telle concentration d’azote par rapport à l’oxygène. Cette signature ne correspond qu’à un seul type d’objet : les étoiles primordiales supermassives, celles qu’on appelle Population III.

Daniel Whalen, co-auteur principal de l’étude à l’Université de Portsmouth, qualifie cette découverte de solution à un mystère cosmique vieux de vingt ans. Pour la première fois, nous possédons une preuve observationnelle de l’existence de ces monstres stellaires.

Des géantes condamnées dès leur naissance

Pourquoi ces étoiles ne peuvent-elles plus exister aujourd’hui ? La réponse tient à un paradoxe fascinant de la physique stellaire. Les étoiles naissent de l’effondrement de nuages d’hydrogène gigantesques. Pour se former, ces nuages doivent se refroidir et se condenser en sphères suffisamment denses. Le refroidissement le plus efficace fait intervenir les éléments lourds présents dans le gaz.

Au début de l’univers, il n’y avait pratiquement pas d’éléments lourds. Le refroidissement était donc beaucoup plus lent, permettant à des quantités colossales de matière de s’agglomérer avant que le processus ne s’arrête. Résultat : des étoiles dont la masse atteignait mille à dix mille fois celle de notre Soleil.

Ces géantes brûlaient leur combustible à une vitesse vertigineuse. En quelques millions d’années seulement, elles épuisaient leurs réserves d’hydrogène puis d’hélium, avant d’exploser en supernovae spectaculaires. Ces explosions dispersaient dans l’espace les premiers éléments lourds créés par fusion nucléaire, enrichissant progressivement l’univers et rendant impossible la formation de nouvelles étoiles aussi massives.

Crédit : Nandal et al.

L’empreinte de l’azote

Le rapport azote/oxygène extrême de GS 3073 s’explique par les processus internes de ces titans stellaires. Au cœur de ces étoiles géantes, la fusion de l’hélium produit du carbone. Ce carbone, en interagissant avec l’hydrogène environnant, génère de l’azote en quantités phénoménales. Cet azote se répand ensuite dans toute l’étoile avant d’être projeté dans l’espace lors de l’explosion finale.

Ce processus d’enrichissement en azote ne fonctionne que pour des étoiles d’une taille extrême. Les modèles développés par l’équipe montrent qu’aucune autre source connue ne peut produire le rapport observé dans GS 3073. C’est une empreinte digitale cosmique unique, impossible à falsifier.

Un héritage titanesque

Ces découvertes ne se limitent pas à combler un vide théorique. Elles éclairent des aspects fondamentaux de l’évolution cosmique. Les explosions de ces étoiles primordiales ont probablement laissé derrière elles des trous noirs d’une masse considérable, qui auraient pu servir de germes aux trous noirs supermassifs occupant aujourd’hui le centre des galaxies.

L’équipe s’attend à ce que le James Webb détecte d’autres galaxies présentant cette signature chimique distinctive dans l’univers primitif. Chaque nouvelle découverte nous rapprochera d’une compréhension complète de ces premiers titans qui ont illuminé le cosmos et rendu possible l’existence de tout ce qui allait suivre, y compris nous.

L’étude est publiée dans The Astrophysical Journal Letters.