Le mystère des étoiles manquantes

L'astrophysique a ceci de beau et de fascinant qu'en explorant toujours plus loin et toujours plus précisément, l'espace-temps, elle fait surgir de ces savoirs nouveaux des questionnements encore plus profonds. On a par exemple vu naître au cours du siècle passé des énigmes immenses, comme celles qui entourent la nature de la matière et de l'énergie noires, ces deux entités qui formatent le cosmos bien plus que la matière commune dont vous, moi et tout ce qui est visible dans le ciel sommes faits. A ces grands et célèbres mystères il faut en ajouter un autre, moins connu mais tout aussi troublant, celui des étoiles manquantes...

Tout se passe dans les amas globulaires, ces paquets de milliers d'étoiles que, dans la Voie lactée, l'on retrouve en général en périphérie, dans ce que les astronomes appellent le halo galactique. Pendant longtemps on a pensé que ces amas, dont la formation a accompagné celle de notre galaxie il y a environ 13 milliards d'années, n'étaient constitués que de très vieilles étoiles. Mais en les examinant de plus près, on s'est aperçu qu'en réalité deux populations stellaires se côtoyaient : les ancêtres et les plus jeunes. Celles-ci se différencient des autres par ce que les spécialistes appellent la "métallicité", c'est-à-dire l'inclusion, dans leur composition chimique, d'éléments plus lourds que l'hydrogène et l'hélium.

Ces éléments ont été formés dans des étoiles en fin de vie, lesquelles, après être allées au bout de la fusion nucléaire de l'hydrogène contenu dans leur cœur, ont commencé à consommer de l'hélium, créant par la même occasion des noyaux atomiques plus lourds. A la fin de l'histoire, que l'étoile explose en supernova (si elle est très massive) ou qu'elle termine son existence en géante rouge (le sort futur du Soleil), elle éjecte dans le cosmos tout ou partie des éléments qu'elle a synthétisés. Ce faisant, elle "ensemence" les nuages de gaz environnants, à partir desquels sera conçue la nouvelle génération stellaire. Trouver des étoiles avec une métallicité importante, c'est le signe qu'elles ont bénéficié de l'apport d'astres plus anciens.

Or, dans le cas des amas globulaires de la Voie lactée, il y a un hic, et un gros. Ils contiennent une proportion importante d'étoiles récentes (souvent la majorité) alors que le nombre d'étoiles anciennes censées leur avoir fourni une partie du matériau de construction aurait dû en théorie entraîner la formation de dix fois moins d'astres nouveaux. Jusqu'à présent, les astronomes ont résolu l'énigme en supposant que les amas globulaires étaient à l'origine bien plus imposants et qu'une grande partie des étoiles anciennes, que l'on observe aujourd'hui souvent en périphérie, avaient dû en être éjectées et se trouvaient désormais quelque part dans l'immense halo de la Voie lactée.

Pour confirmer cette hypothèse, une équipe internationale a choisi d'examiner une galaxie naine proche, celle du Fourneau (du nom de la constellation de l'hémisphère sud où elle est installée), située à environ 450 000 années-lumière de nous et dotée à sa périphérie de plusieurs amas globulaires. Cette galaxie, se sont dit ces chercheurs, est tellement petite que, si vieilles étoiles fuyardes il y a, elles seront aisément détectées, ce d'autant que l'équipe a pu utiliser le télescope spatial Hubble pour son étude, publiée le 20 novembre par The Astrophysical Journal. Ces astronomes ont commencé par s'assurer que les propriétés des populations d'étoiles constituant les quatre amas globulaires qu'ils observaient étaient très semblables à celles des amas de notre Voie lactée. Puis ils ont tenté de remettre la main sur les fameuses vieilles étoiles censées avoir légué une partie de leur patrimoine aux plus récentes. En vain.

Comme le résume un des auteurs de l'étude, Frank Grundahl (Centre d'astrophysique stellaire de l'université d'Aarhus, Danemark), "si ces étoiles expulsées étaient quelque part, nous les verrions. Mais ce n'est pas le cas !". L'article conclut que ce résultat "pose une contrainte forte sur les scénarios de l'origine des diverses populations d'étoiles contenues dans les amas globulaires". Une façon fort diplomatique de dire que ces scénarios ne fonctionnent pas puisqu'ils ne rendent pas compte du réel. Frank Grundahl est plus direct : "Notre principale théorie ne peut être correcte. Il n'y a nulle part dans cette galaxie du Fourneau où ces étoiles éjectées peuvent se cacher. Il apparaît donc que les amas ne pouvaient pas être beaucoup plus gros par le passé." 

Dans leur étude, les chercheurs envisagent sans trop y croire d'autres hypothèses, comme celle où, peu après la naissance des amas, ceux-ci auraient été ensemencés en éléments lourds par l'explosion d'étoiles supermassives – car contrairement à ce que l'on pourrait croire intuitivement, plus une étoile est massive plus elle meurt vite, flambant la vie par les deux bouts. Sans doute faudra-t-il envisager d'autres solutions. Quoi qu'il en soit, ces astronomes pensaient lever un coin du voile sur le mystère des étoiles manquantes et ils n'ont fait que l'obscurcir davantage. Parfois, lorsqu'on pense être sur le point de terminer un casse-tête, la découverte d'une nouvelle pièce le rend plus difficile encore à résoudre...

Pierre Barthélémy (suivez-moi ici sur Twitter ou bien là sur Facebook)