Le taux de formation des étoiles dans l’univers en déclin
L’univers produit de moins en moins d’étoiles. Au cours des 4,5 derniers milliards d’années, le taux de formation de nouvelles étoiles a chuté à moins de la moitié de son niveau précédent. Pourtant, l’approvisionnement en hydrogène, l’un des principaux « carburants » de la formation stellaire, a peu changé.
Cette découverte émane d’une équipe de recherche internationale dirigée par des scientifiques de l’Académie chinoise des sciences (CAS), en collaboration avec le projet Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI). Utilisant le radiotélescope sphérique à ouverture de 500 mètres de Chine (FAST), les chercheurs ont effectué des mes précises de l’hydrogène atomique neutre cosmique au cours des 4,5 milliards d’années passées. Les résultats révèlent un décalage frappant : alors que la formation d’étoiles a fortement diminué, la quantité d’hydrogène atomique neutre (HI), un réservoir de gaz important au sein des galaxies, n’a que légèrement diminué.
Les résultats ont été publiés en ligne dans Nature Astronomy le 1er septembre.
Pourquoi l’univers forme-t-il moins d’étoiles ?
Comprendre pourquoi la formation d’étoiles est devenue moins active avec l’âge de l’univers est une question majeure dans la recherche sur la formation et l’évolution des galaxies. Une explication apparente est que les galaxies ont progressivement consommé le gaz froid nécessaire à la production d’étoiles. Cependant, si la diminution des réserves de gaz froid était la principale responsable, les astronomes s’attendraient à voir une chute de la formation d’étoiles accompagnée d’une diminution similaire du gaz disponible. Or, les observations n’ont pas montré une telle déplétion.
L’hydrogène atomique neutre joue un rôle central dans cette énigme. Il est un réservoir de gaz froid à l’intérieur des galaxies, reliant l’approvisionnement cosmique de gaz aux processus qui produisent finalement de nouvelles étoiles. Les astronomes détectent principalement le HI par son émission radio extrêmement faible à 21 centimètres.
FAST et DESI : une enquête sur des millions de galaxies
Au cours des années, les astronomes ont fait face à un défi d’observation majeur. Les enquêtes très profondes pouvaient atteindre la sensibilité nécessaire mais ne pouvaient pas examiner de grandes régions du ciel. Les enquêtes couvrant des zones beaucoup plus vastes manquaient généralement de la sensibilité requise pour détecter ces signaux radio faibles. Cela a rendu difficile la détermination directe et fiable de l’évolution de la masse totale de HI dans l’univers.
La nouvelle recherche a abordé ce problème en combinant la sensibilité radio exceptionnelle de FAST avec le vaste ensemble de données de spectroscopie optique fourni par DESI. L’équipe a étudié environ 2,5 millions de galaxies réparties sur près d’un tiers du ciel.
Les chercheurs ont utilisé une méthode de « spectral stacking » pour combiner des signaux radio trop faibles pour être détectés individuellement. En alignant et empilant les signaux faibles, ils ont permis au signal moyen de HI d’émerger du bruit de fond.
Une chute de la formation d’étoiles plus rapide que celle de l’hydrogène
Les résultats ont mis en évidence une différence majeure entre l’évolution de la formation d’étoiles et l’approvisionnement en hydrogène neutre. Il y a environ 4,5 milliards d’années, le taux de formation des étoiles dans l’univers était environ 2,5 fois plus élevé qu’aujourd’hui, tandis que la densité d’hydrogène atomique neutre n’était que 1,4 fois supérieure à son niveau actuel. En d’autres termes, la formation d’étoiles a chuté de manière spectaculaire sans une disparition comparable du réservoir de HI de l’univers.
Les chercheurs concluent que l’épuisement rapide de l’hydrogène neutre ne peut pas à lui seul expliquer la forte baisse de la formation d’étoiles. Ils soulignent que la question centrale se déplace de « si le gaz se dépeuple » à « pourquoi il devient de plus en plus difficile de former des étoiles malgré des réserves d’hydrogène neutre abondantes ».
Implications pour l’avenir de la formation stellaire
Les implications de ces résultats vont au-delà de la simple détermination de la quantité d’hydrogène dans l’univers. Ils offrent une nouvelle clé essentielle pour comprendre pourquoi les énormes usines de formation d’étoiles de l’univers ralentissent graduellement. La combinaison des observations de FAST et de DESI fournit un nouveau point de référence pour étudier le cycle du gaz cosmique au cours de l’évolution ultérieure de l’univers, la baisse à long terme de la formation d’étoiles, et les processus plus larges qui façonnent les galaxies.
Cette recherche a été dirigée par des scientifiques des Observatoires astronomiques nationaux de Chine, de l’Observatoire astronomique de Shanghai de la CAS, et de l’Université Jiao Tong de Shanghai, en collaboration avec des chercheurs participant au projet DESI. Les contributeurs proviennent d’institutions de recherche à travers l’Asie, l’Amérique du Nord et l’Europe, illustrant le potentiel scientifique de la combinaison d’observations radio hautement sensibles avec des enquêtes de spectroscopie optique de grande envergure.
Source : Nature Astronomy, 1er septembre
