La première génération d’étoiles (population III) doit s’être formée à partir du gaz non enrichi qui a imprégné l’univers du nourrisson. Ces étoiles ont produit les premiers éléments plus lourds et réilluminé l’univers, mettant ainsi fin aux âges des ténèbres cosmiques et inaugurant l’univers dans l’époque de la réionisation. En raison d’un manque d’observations directes, les propriétés des premières étoiles restent très incertaines. Selon le professeur Anastasia Fialkov de l’Université de Cambridge et ses collègues, les astronomes pourront en apprendre davantage sur les masses de ces étoiles en étudiant le signal cosmologique de 21 cm – créé par des atomes d’hydrogène comblant les lacunes entre les régions de formation d’étoiles – d’origine seulement cent millions d’années après le Big Bang.
« Il s’agit d’une occasion unique d’apprendre comment la première lumière de l’univers a émergé de l’obscurité », a déclaré le professeur Fialkov.
« La transition d’un univers froid et sombre à une étoile est une histoire que nous commençons à comprendre. »
L’étude des étoiles les plus anciennes de l’univers dépend de la faible lueur du signal de 21 cm, un signal énergétique subtil il y a plus de 13 milliards d’années.
Ce signal, influencé par le rayonnement des premières étoiles et des trous noirs, fournit une fenêtre rare sur l’enfance de l’univers.
Le professeur Fialkov dirige le groupe théorique de portée (l’expérience radio pour l’analyse de l’hydrogène cosmique).
« Reach est une antenne radio et est l’un des deux principaux projets qui pourraient nous aider à découvrir l’aube cosmique et l’époque de la réionisation, lorsque les premières étoiles ont réionisé les atomes d’hydrogène neutre dans l’univers », ont déclaré les astronomes.
«Bien que Reach, qui capture les signaux radio, soit toujours à sa phase d’étalonnage, il promet de révéler des données sur l’univers précoce.
« Pendant ce temps, le tableau du kilomètre carré (SKA) mappera les fluctuations des signaux cosmiques dans de vastes régions du ciel. »
«Les deux projets sont essentiels pour sonder les masses, les luminosités et la distribution des premières étoiles de l’univers.»
Dans la présente étude, le professeur Fialkov et les co-auteurs ont développé un modèle qui fait des prédictions pour le signal de 21 cm pour la portée et le SKA, et a constaté que le signal est sensible aux masses des premières étoiles.
« Nous sommes le premier groupe à modéliser systématiquement la dépendance du signal de 21 cm des masses des premières étoiles, y compris l’impact de la lumière étoile ultraviolette et des émissions de rayons X à partir de binaires de rayons X produits lorsque les premières étoiles meurent », a déclaré le professeur Fialkov.
«Ces idées sont dérivées de simulations qui intègrent les conditions primordiales de l’univers, comme la composition d’hydrogène-hélium produite par le Big Bang.»
En développant leur modèle théorique, les chercheurs ont étudié comment le signal de 21 cm réagit à la distribution de masse des étoiles de la population III.
Ils ont constaté que les études précédentes ont sous-estimé ce lien car ils ne tenaient pas compte du nombre et de la luminosité des binaires des rayons X parmi les étoiles de la population III, et comment ils affectent le signal de 21 cm.
Reach et Ska ne pourront pas imaginer des étoiles individuelles, mais fourniront plutôt des informations sur des populations entières d’étoiles, de systèmes binaires à rayons X et de galaxies.
« Il faut un peu d’imagination pour connecter les données radio à l’histoire des premières étoiles, mais les implications sont profondes », a déclaré le professeur Fialkov.
« Les prédictions que nous signalons ont d’énormes implications pour notre compréhension de la nature des toutes premières stars de l’univers », a déclaré le Dr Eloy de Lera de l’Université de Cambridge.
« Nous montrons des preuves que nos radiotélescopes peuvent nous dire des détails sur la masse de ces premières étoiles et comment ces premières lumières ont peut-être été très différentes des stars d’aujourd’hui. »
