Premières étoilescomment la première lumière de l'univers s'est allumée

La première lumière de l'univers est venue de la première étoile, allumée environ 150 millions d'années après le Big Bang : un géant de centaines de masses solaires. Avant cela, des halos de matière noire s'étaient déjà formés vers 100 millions d'années, et leurs puits de gravité commençaient à rassembler du gaz. Une fois ces géants allumés, leur lumière a réionisé l'hydrogène neutre, et en mourant ils ont dispersé des éléments lourds dans l'espace pour la première fois.

Cette ère va de 150 millions à 1 milliard d'années, et elle a vu à la fois la naissance des étoiles et l'apparition des trous noirs et des quasars.

Six événements

• 100 millions d'années · Formation des halos de matière noire : les puits de gravité commencent à rassembler du gaz. Imaginez un immense bol invisible : le gaz glisse le long de ses parois et s'accumule au fond.
• 150 millions d'années · Première étoile : un géant de centaines de masses solaires s'allume.
• 200 millions d'années · Réionisation cosmique : la lumière des étoiles ionise à nouveau l'hydrogène neutre.
• 200 millions d'années · Première supernova : des éléments lourds sont dispersés dans l'espace pour la première fois. Les étoiles ne font pas que briller ; ce sont les premiers « fourneaux d'alchimie ».
• 300 millions d'années · Premier trou noir : le cœur d'une étoile géante s'effondre en trou noir.
• 700 millions d'années · Quasars : des trous noirs supermassifs brillent en avalant de la matière.

Ces étapes dépendent les unes des autres. Sans puits de gravité, le gaz ne peut pas se rassembler. Sans étoiles, il n'y a ni supernovæ ni trous noirs ensuite. Sans trous noirs, il n'y a pas de quasars. Les années sont approximatives ; dans la réalité ces processus se sont déroulés en continu et se sont chevauchés.

Les puits de gravité invisibles : la matière noire

Le premier indice est venu des amas de galaxies. Les galaxies de l'amas de la Chevelure de Bérénice se déplacent trop vite, alors quelqu'un a proposé la « matière noire », une idée négligée pendant des décennies (Zwicky, Helvetica Physica Acta, 1933). Les preuves sont revenues en 1970 : la périphérie de la galaxie d'Andromède tourne trop vite, et une grande quantité de matière invisible doit fournir la gravité. La matière noire n'était plus une simple supposition (Rubin et Ford, The Astrophysical Journal, 1970).

Une preuve plus directe est venue quand deux amas de galaxies sont entrés en collision : le gaz est resté au milieu tandis que le centre de gravité s'est retrouvé de part et d'autre, donc la matière noire a été « projetée » au loin. Le titre de l'article parle d'une « preuve empirique directe » de l'existence de la matière noire (Clowe et al., The Astrophysical Journal Letters, 2006).

Pourquoi les étoiles brillent, et comment elles meurent

Comment le Soleil peut-il brûler pendant des milliards d'années ? Les étoiles brillent par fusion nucléaire, une énigme résolue dans un article intitulé « Energy production in stars » (Bethe, Physical Review, 1939). Le sort d'une étoile après sa mort a aussi une limite : une naine blanche a une masse maximale d'environ 1,4 masse solaire, et au-delà l'étoile continue inévitablement de s'effondrer (Chandrasekhar, The Astrophysical Journal, 1931).

Les trous noirs : de la preuve indirecte à une ombre

Suivre pendant plus de dix ans les orbites des étoiles proches du centre galactique a montré qu'un trou noir d'environ 4 millions de masses solaires s'y cache. Ce travail a reçu le prix Nobel 2020 (Ghez et al., The Astrophysical Journal, 2008). Deux trous noirs ont fusionné il y a 1,3 milliard d'années, et les ondulations de l'espace-temps ont enfin été entendues par les humains, confirmant la prédiction d'Einstein faite un siècle plus tôt (Abbott et al., LIGO et Virgo, Physical Review Letters, 2016). Des radiotélescopes du monde entier ont formé un « télescope virtuel » grand comme la Terre et imagé l'ombre du trou noir au centre de la galaxie M87 (collaboration Event Horizon Telescope, The Astrophysical Journal Letters, 2019).

Une énigme encore non résolue

Alors que l'univers avait moins de 700 millions d'années, il existait déjà un trou noir de 800 millions de masses solaires. Comment a-t-il grandi si vite ? C'est encore un mystère. Le titre de l'article précise aussi deux conditions : un décalage vers le rouge de 7,5 et un « univers significativement neutre » (Bañados et al., Nature, 2018).

Envie de lire les originaux ? Cherchez ces titres

• Zwicky (1933) : Die Rotverschiebung von extragalaktischen Nebeln, soit à peu près « Le décalage vers le rouge des nébuleuses extragalactiques »
• Rubin et Ford (1970) : Rotation of the Andromeda Nebula from a spectroscopic survey of emission regions
• Clowe et al. (2006) : A direct empirical proof of the existence of dark matter
• Chandrasekhar (1931) : The maximum mass of ideal white dwarfs
• Bethe (1939) : Energy production in stars
• Ghez et al. (2008) : Measuring distance and properties of the Milky Way's central supermassive black hole with stellar orbits
• Abbott et al. (2016) : Observation of gravitational waves from a binary black hole merger
• Event Horizon Telescope (2019) : First M87 Event Horizon Telescope Results. I. The shadow of the supermassive black hole
• Bañados et al. (2018) : An 800-million-solar-mass black hole in a significantly neutral Universe at a redshift of 7.5

Comment le jeu le montre

Dans le jeu, la plage de temps de l'ère Premières étoiles est « de 150 millions à 1 milliard d'années » et sa ressource est les étoiles. Les générateurs sont Halos de matière noire, Effondrement du gaz, Protoétoiles et Géantes de population III, à peu près dans l'ordre du processus « du puits de gravité à l'étoile » décrit plus haut.