Comment les éléments chimiques qui composent notre corps, comme le carbone ou l’oxygène, sont-ils apparus dans le cosmos ? À l’origine, le Big Bang n’a généré que des gaz légers : de l’hydrogène et de l’hélium. Une équipe internationale d’astronomes vient de faire une découverte historique grâce au télescope spatial James Webb (JWST) : LAP1-B, une galaxie observée 800 millions d’années après la naissance de l’Univers. Son analyse chimique révèle qu’elle est presque totalement dépourvue de métaux, s’imposant comme la galaxie la plus primitive jamais cartographiée.

Ce que vous allez apprendre

• Pourquoi la première génération d’étoiles (Population III) est la clé de la chimie cosmique.

• Comment l’effet de lentille gravitationnelle a permis de détecter une galaxie 100 fois trop faible.

• Le lien direct établi entre ce vestige et les galaxies fossiles qui orbitent près de notre Voie lactée.

Le mystère des premières usines chimiques de l’Univers

Juste après le Big Bang, l’Univers traverse une période appelée les « Âges sombres cosmiques », suivie de l’époque de la réionisation. À cette étape de l’histoire sainte du cosmos, l’espace est saturé d’hydrogène neutre. Les briques fondamentales de la vie (carbone, oxygène, fer) n’existent pas encore. Elles ont été forgées plus tard, sous une pression d’enfer, au cœur des toutes premières étoiles de l’Univers, baptisées étoiles de Population III.

Lorsque ces étoiles géantes sont arrivées en fin de vie, elles ont explosé en supernovas, éjectant et dispersant leurs couches externes enrichies en éléments lourds. Traquer ces premières explosions est le graal des astrophysiciens, mais les galaxies qui abritaient ces étoiles sont si petites et si lointaines que leur lumière subit un décalage vers le rouge (redshift) extrême, les rendant indétectables pour les télescopes classiques.

Crédit : NASA

Chronologie de l’évolution de l’univers après le Big Bang.

Un zoom gravitationnel sur une rescapée du temps

Pour percer ce voile, l’équipe menée par le professeur Kimihiko Nakajima (Université de Kanazawa) a combiné la sensibilité infrarouge du télescope James Webb avec une loupe cosmique naturelle : le lentillage gravitationnel. En utilisant la gravité d’un amas de galaxies massif situé entre la Terre et LAP1-B, la lumière de cette petite galaxie a été amplifiée d’un facteur 100.

Après 30 heures d’analyses spectroscopiques approfondies, les données ont révélé un profil stupéfiant :

• L’abondance en oxygène de LAP1-B est 240 fois inférieure à celle de notre Soleil.

• La galaxie est incroyablement légère, affichant moins de 3 300 masses solaires (le reste de sa structure étant dominé par un halo de matière noire).

• Le rapport carbone/oxygène correspond très exactement aux simulations mathématiques des résidus laissés par la mort des étoiles de Population III.

« Découvrir une galaxie dans un état aussi primitif est étonnant », explique le professeur Nakajima. « C’est une signature chimique qui indique clairement une galaxie primordiale figée dans les instants qui ont suivi sa formation. »

L’ancêtre de nos fossiles galactiques

Cette découverte ne fait pas que repousser les limites de la spectroscopie spatiale ; elle valide une théorie de longue date sur les structures qui entourent la Voie lactée. LAP1-B partage les mêmes caractéristiques physiques et chimiques que les galaxies naines ultra-faibles (UFD). Ces dernières, composées d’étoiles vieilles de plus de 12 milliards d’années, orbitent près de notre galaxie et sont qualifiées de « fossiles de l’Univers ».

Jusqu’à présent, les astronomes soupçonnaient que les UFD étaient les vestiges des premières structures cosmiques, mais aucun lien direct n’avait pu être établi. LAP1-B s’avère être le portrait craché de l’ancêtre théorique de ces fossiles.

Grâce au télescope James Webb, les astrophysiciens n’ont plus besoin de se comporter comme de simples archéologues qui étudient de vieilles étoiles survivantes dans notre voisinage pour deviner le passé : ils analysent désormais directement les gaz de la scène originelle d’il y a 13 milliards d’années. Cette avancée marque un jalon historique pour comprendre comment les atomes qui constituent notre propre corps se sont accumulés à travers l’histoire cosmique.

L’étude est publiée dans la revue Nature.