L'archéologue stellaire

En février dernier, Anna Frebel et ses collègues ont annoncé la découverte de ce qui pourrait être la plus ancienne étoile connue. Par une nuit claire, même un astronome amateur pourrait être capable de diriger un télescope puissant sur SMSS J031300.36-670839.3, situé dans le halo de la Voie lactée.

SM0313 - le raccourci par lequel il est connu - a une signature chimique inhabituelle. Bien qu'il soit probablement originaire d'une première galaxie naine qui s'est formée peu après le Big Bang, il ne partage aucune caractéristique avec les étoiles présentes dans les galaxies naines qui ont été découvertes jusqu'à présent. Ce fait a laissé les astronomes perplexes. La Voie lactée, selon toute vraisemblance, engloutit des galaxies naines, incorporant leurs étoiles dans son propre halo, explique Frebel, membre de l'Institut Kavli d'astrophysique et de recherche spatiale du MIT et professeur adjoint de physique à la Division d'astrophysique.

Frebel, 34 ans, appartient à une nouvelle race d'astronomes qui peuvent être considérés comme des archéologues stellaires. Au lieu de passer au crible des couches de terre à la recherche d'artefacts de civilisations passées, ils exploitent le ciel à la recherche de lumière provenant d'étoiles anciennes. En étudiant cette lumière, ils déterminent la composition chimique de ces étoiles et reconstituent comment notre galaxie actuelle et les éléments du tableau périodique sont nés. Trouver une étoile aussi primitive que SM0313 ajoute un chapitre important à l'histoire du déroulement de la galaxie, de l'univers et de la vie elle-même.

Quelques centaines de millions d'années après le Big Bang, les premières étoiles se sont formées à partir de nuages ​​gazeux constitués des deux éléments les plus légers, l'hydrogène et l'hélium, avec des traces de lithium. Au fil du temps, les noyaux de ces éléments légers ont fusionné dans les noyaux ardents de ces étoiles primordiales, créant des éléments plus lourds comme le carbone, l'oxygène et le fer. Lorsque les étoiles sont mortes, explosant en supernovae, elles ont expulsé ces nouveaux éléments dans l'espace, enrichissant les nuages ​​de gaz à partir desquels de nouvelles étoiles plus chimiquement diversifiées sont nées. Au fur et à mesure que les générations suivantes d'étoiles ont été créées, elles sont devenues de plus en plus riches en métaux, comme les astronomes appellent tous les éléments en plus de l'hydrogène et de l'hélium.

Frebel dit que d'anciennes étoiles pauvres en métal éparpillées parmi les quelques centaines de milliards d'étoiles plus jeunes de notre galaxie attendent simplement d'être trouvées, comme de vieilles boîtes de haricots au fond du placard. Elle les analyse avec un accessoire télescopique appelé spectrographe, qui divise la lumière de l'étoile en un arc-en-ciel. Parce que chaque élément absorbe la lumière à une longueur d'onde particulière, elle peut déduire quels éléments sont présents dans l'atmosphère de l'étoile en observant les nuances précises qui manquent au spectre.

Déterminer l'âge d'une étoile, cependant, est délicat. Très rarement, une étoile ancienne contient un élément radioactif tel que l'uranium, ce qui permet aux astronomes d'utiliser une technique similaire à la datation au carbone. En 2007, Frebel a utilisé cette méthode pour calculer qu'une étoile connue sous le nom de HE 1523-0901 avait environ 13,2 milliards d'années. Elle et ses collègues sont tout à fait sûrs qu'il s'agit de l'une des premières générations d'étoiles, car l'univers lui-même, à environ 13,8 milliards d'années, n'est que légèrement plus ancien. Mais pour les étoiles sans éléments radioactifs, la règle empirique est que moins il y a d'éléments, plus elles sont vieilles. Parce que les chercheurs n'ont pu dériver l'abondance de seulement quatre éléments dans SM0313, Frebel dit qu'il appartient très probablement à la deuxième génération. (Ils ont également été surpris par l'abondance relative de carbone dans une étoile aussi ancienne, ce qui suggère que l'élément était essentiel non seulement pour l'émergence de la vie, mais également dans l'univers primitif.)

Ce qui a convaincu Frebel qu'il s'agit peut-être de la plus ancienne étoile connue, c'est qu'elle semble dépourvue de fer. Dans l'échelle de métallicité utilisée par les astronomes, -1,0 signifie qu'une étoile a un dixième de la teneur en fer de notre soleil, -2,0 est un centième, et ainsi de suite. En 2002, l'astronome Norbert Christlieb a signalé la découverte d'une étoile dont la métallicité était de -5,2 ; avant de soutenir sa thèse en 2006, Frebel a trouvé une étoile à -5,4. Avec la découverte de SM0313, qui ne contient pas du tout de fer détectable, Frebel et ses collègues ont établi un nouveau record à -7,1 - ou peut-être même moins car seule une limite supérieure a pu être déterminée.

Anna Frebel surveille les télescopes Magellan dans un observatoire au Chili.

Frebel a commencé sa quête en tant que majeure en physique de premier cycle. Elle a pris une année sabbatique dans son Allemagne natale pour faire des recherches en astronomie en Australie, où elle a obtenu des vues du ciel que seul l'hémisphère sud peut offrir. Là-bas, elle a rencontré Christlieb, alors de l'Université de Hambourg, peu de temps après avoir découvert l'étoile -5.2. Je me suis vite rendu compte qu'Anna n'avait pas peur d'explorer un territoire inconnu et qu'elle n'était pas une personne qui abandonne facilement, se souvient-il.

Après avoir obtenu un doctorat de l'Australian National University et terminé des post-doctorats à l'Université du Texas et au Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, Frebel a rejoint la faculté du MIT en 2012. L'accès de l'Institut à certains des télescopes les plus puissants du monde a constitué un attrait majeur. L'année dernière, elle a passé 10 nuits à recueillir des données avec les télescopes jumeaux Magellan à l'observatoire de Las Campanas au Chili. (Elle fait partie de ceux qui contribuent au spectrographe du nouveau télescope géant de Magellan, qui aura six fois la capacité de collecte de lumière des plus grands télescopes actuels.)

Malgré le long voyage vers cet observatoire isolé dans le désert d'Atacama, elle dit qu'elle se sent toujours rajeunie par le ciel parsemé de diamants . Toute la nuit, ses yeux sont rivés sur l'ordinateur qui enregistre les données spectrales. Avec le temps de l'instrument si précieux, Frebel doit équilibrer ses observations afin qu'elle puisse obtenir suffisamment de données sur toutes ses étoiles cibles. Les galaxies naines sont si faibles qu'il faut près de 10 heures pour collecter suffisamment de photons, explique-t-elle ; les étoiles de halo brillantes ne nécessitent pas autant d'exposition. Lorsque le temps ne s'améliore pas, elle consulte ses e-mails ou s'adonne à son passe-temps qu'est l'astrophotographie, car le ciel nuageux fait de bonnes photos. Elle n'analyse les données qu'une fois rentrée chez elle.

Ayant grandi dans la petite ville de Göttingen, Frebel pouvait toujours voir les étoiles par temps clair, ce qui n'était pas si facile à Boston, avec son ciel orange. Sa romance avec les stars a commencé tôt, mais à l'adolescence, elle a sérieusement envisagé de devenir créatrice de mode. Bien qu'elle n'ait eu aucune formation formelle, elle a conçu et cousu beaucoup de ses vêtements, dupliquant souvent des tenues de fantaisie qu'elle aimait ou imaginant les siennes. En fin de compte, l'astronomie a gagné parce que, dit-elle, je l'aimais davantage. Je pourrais garder la mode comme passe-temps. Maintenant, au lieu de travailler avec son esprit et ses mains pour recréer le motif d'une robe, elle imagine à quoi aurait pu ressembler l'univers primitif et rassemble des données pour tester son idée. Je pense que ma couture m'a fourni un outil de formation pour développer des idées et ensuite les poursuivre rigoureusement, dit-elle.

Frebel est désireux de partager ces idées avec le public ; Princeton University Press envisage de publier son livre de vulgarisation scientifique allemand, À la recherche des étoiles les plus anciennes , en traduction. Et elle travaille avec bonheur avec des astronomes de tous bords. Jusqu'à récemment, les théoriciens et les observateurs du champ des premières étoiles travaillaient en grande partie sans grand contact, explique Volker Bromm, professeur d'astronomie à l'Université du Texas et collaborateur depuis les jours postdoctoraux de Frebel. Anna est unique parmi les observateurs dans son désir d'interagir avec les théoriciens, d'intégrer ses observations dans le contexte théorique global et de les guider vers des prédictions empiriques pertinentes.

Les observations des archéologues stellaires bouleversent certainement les hypothèses théoriques, telles que l'idée que toutes les premières étoiles ont explosé dans des explosions massives qui ont craché des éléments lourds comme le fer. Frebel et ses collègues pensent que l'ancêtre de SM0313 doit s'être éteint sous la forme d'une supernova atténuée. Seule une explosion à faible énergie produirait des éléments plus légers comme le carbone, mais ne parviendrait pas à expulser des éléments plus lourds comme le fer fabriqué dans le noyau de l'étoile d'origine. Les astronomes recherchent une douzaine d'autres étoiles de deuxième génération pour renforcer cette nouvelle idée.

En mai, Frebel et son équipe ont publié leur découverte de la galaxie la moins évoluée chimiquement trouvée à ce jour, Segue 1, située à 75 000 années-lumière de la Terre. Avec seulement un millier d'étoiles, toutes pauvres en métaux, cette galaxie mauviette peut nous donner un aperçu plus clair des conditions de l'univers primitif. Mais une étude plus approfondie de ses étoiles sombres et lointaines demandera un peu de travail.

Pourtant, nos télescopes ne font que s'améliorer. Les chances de trouver les anciens à la fois proches et lointains - et de découvrir leurs secrets - semblent être en faveur de Frebel.

Note de la rédaction : à l'origine, il a été rapporté qu'une étoile connue sous le nom de SM0313, qu'Anna Frebel et ses collègues ont découverte dans le halo de la Voie lactée, soutient la théorie selon laquelle notre galaxie s'est développée en se régalant de ses voisins. Alors que d'autres preuves suggèrent que la Voie lactée fait exactement cela, la signature chimique inhabituelle de SM0313 est différente de celle des étoiles des galaxies naines voisines découvertes jusqu'à présent, ce qui rend cette étoile impropre à l'étude de l'évolution de la Voie lactée.

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