Les premières étoiles

~100 à ~270 Ma (z ≈ 30 à 15)

Un gaz qui ne contient rien d'autre

Le gaz dont les premières étoiles vont naître a été fabriqué en une vingtaine de minutes, et il n'a pas changé depuis. À la sortie de la nucléosynthèse primordiale, il contient en masse environ trois quarts d'hydrogène et un quart d'hélium 4, avec des traces de deutérium, d'hélium 3 et de lithium wiki-chronofields2014pdg. Les traces sont minuscules : quelques cent-millièmes de l'hydrogène pour le deutérium et l'hélium 3, un dix-milliardième environ pour le lithium 7 fields2014pdg. Le chapitre sur les trois premières minutes a raconté comment ces proportions se sont fixées (→ chap. 5). Celui sur les âges sombres a suivi ce gaz pendant la nuit qui a suivi la première lumière : pendant une centaine de millions d'années, rien n'y a été ajouté, parce que rien n'y brûlait (→ chap. 8).

La liste des éléments présents s'arrête au lithium, et ce n'est pas une affaire de temps. La chaîne des réactions nucléaires des premières minutes monte marche par marche, en ajoutant à chaque fois un proton, un neutron ou un noyau léger. Deux marches manquent : il n'existe aucun noyau stable de masse 5 ni de masse 8 fields2014pdg. Un noyau d'hélium 4 qui capte un neutron ou un proton donne un noyau de masse 5, qui n'existe pas de façon stable ; deux noyaux d'hélium qui fusionnent donnent un noyau de masse 8, qui n'existe pas davantage fields2014pdg¹. Les noyaux plus lourds sont en outre protégés par la répulsion électrique entre charges positives, les « barrières coulombiennes », qui freinent les réactions entre noyaux chargés fields2014pdg. Et le gaz est alors dilué, d'une densité « comparable à celle de l'air », si bien que seules comptent les rencontres entre deux noyaux fields2014pdg. Au bout d'une vingtaine de minutes, la température et la densité sont devenues trop basses pour toute fusion notable wiki-bbn, et l'inventaire est clos.

Pour franchir la marche de masse 8, il faut une autre réaction, et un autre lieu. Dans les étoiles, l'hélium fusionne en carbone par la réaction dite « triple alpha » : trois noyaux d'hélium donnent un noyau de carbone 12, en passant par le béryllium 8 wiki-stellarnuc. Le béryllium 8 est précisément le noyau de masse 8 qui manquait aux premières minutes. La réaction met en jeu trois noyaux d'hélium, alors que le gaz des premières minutes ne permettait que des rencontres à deux². La revue de Chiaki Kobayashi, Amanda Karakas et Maria Lugaro, qui reconstruit l'origine de tous les éléments stables du carbone à l'uranium, en tire la conséquence sans détour : à cause de la nature des réactions triple alpha, les éléments de masse 12 ou plus « ne sont pas produits pendant le Big Bang mais formés à l'intérieur des étoiles » Kobayashi 2020. Le carbone, l'azote, l'oxygène, le fer, tout ce qui pèse au moins douze nucléons, sort donc d'une étoile ou de sa mort. Le chapitre sur la forge décrira comment une étoile monte ainsi de l'hélium au fer (→ chap. 12).

De ces deux faits, l'un sur le gaz, l'autre sur les étoiles, suit un raisonnement court. Les astronomes appellent « métaux » tous les éléments plus lourds que l'hélium (→ chap. 8). Aujourd'hui, toutes les étoiles dont les sources de ce livre donnent la composition en contiennent. La surface du Soleil en compte 1,39 % de sa masse Asplund 2021. Les vieilles étoiles du halo de la Galaxie, où l'on mesure le lithium primordial, sont pauvres en métaux mais pas sans métaux : les moins riches de l'échantillon principal ont environ cinq cents fois moins de fer que le Soleil Fields 2020³. Or ces métaux ne peuvent venir que d'étoiles plus anciennes. En remontant la chaîne, étoile après étoile, on arrive forcément à une génération qui n'a hérité d'aucun métal, parce qu'il n'y en avait encore aucun : une génération née du gaz des premières minutes, tel quel. Les astronomes l'appellent « population III » Klessen 2023⁴.

Ce raisonnement fonde tout le chapitre, et il faut voir ce qu'il établit et ce qu'il n'établit pas. Il établit que des étoiles sans métaux ont existé. Il ne dit ni quand elles se sont formées, ni combien elles pesaient, ni combien il y en avait, ni combien de temps elles ont vécu. Aucune observation n'intervient dans sa conclusion : il repose sur la physique nucléaire des premières minutes, que le deutérium mesuré confirme à 1 % près Fields 2020, et sur la physique nucléaire des étoiles. La frise du livre résume ce statut en une phrase : l'existence des étoiles de population III est une nécessité logique, leurs propriétés restent théoriques ⁵.

Quand : une date qui est un calcul

La date des premières étoiles vient d'une théorie, celle de la formation des étoiles, et non d'une observation. Selon la revue de référence de Ralf Klessen et Simon Glover, parue en 2023, les étoiles de population III se forment à partir d'un gaz primordial sans métaux « à des décalages vers le rouge de 30 et moins », et elles dominent la formation des étoiles jusqu'à des décalages vers le rouge de 15 à 20 Klessen 2023. Au-delà, c'est-à-dire plus tard, les étoiles de population II, nées d'un gaz déjà enrichi en métaux, prennent le relais Klessen 2023.

Un décalage vers le rouge z mesure l'étirement de l'Univers : 1 + z est le rapport entre sa taille aujourd'hui et sa taille à l'époque considérée (→ chap. 8). Pour transformer z en âge, il faut connaître l'histoire de l'expansion, donc passer par le modèle standard. Aux époques de ce chapitre, la matière gouverne seule l'expansion, et l'âge suit une loi simple, établie au chapitre précédent avec les paramètres de Planck : t ≈ 17,2 milliards d'années × (1 + z)^(−3/2) Planck 2018(→ chap. 8). Elle donne environ 100 millions d'années pour z = 30, 180 millions pour z = 20, 270 millions pour z = 15 ⁶. Cette loi n'est pas lue dans une publication : c'est un calcul du livre. Il a été contrôlé sur cinq couples z–âge publiés, dont ceux de l'expérience EDGES (180 millions d'années vers z ≈ 20) Bowman 2018 et de l'équipe de Takuya Hashimoto (« environ 250 millions d'années », z ≈ 15) Hashimoto 2018, et il les retrouve à moins de 10 % près (→ chap. 8).

La période des premières étoiles s'écrit donc ainsi : elles commencent à se former vers 100 millions d'années, et elles dominent jusque vers 180 à 270 millions d'années. Sur l'année cosmique, où les 13,8 milliards d'années de l'histoire tiennent en douze mois, la première lumière est émise un quart d'heure après minuit le 1er janvier ; les premières étoiles apparaissent vers le 3 janvier, et la population II prend le relais entre le 5 et le 8 ⁷. L'ère des étoiles sans métaux dure, selon la borne retenue, de 80 à 170 millions d'années environ.

Deux incertitudes de nature différente se superposent dans ces chiffres. La première porte sur la conversion, et elle est faible. Le préfacteur de la loi ne dépend que de la densité absolue de matière, que Planck mesure presque directement sur le fond diffus ; même si la tension sur le taux d'expansion actuel se résolvait par une valeur plus élevée, les dates de cette époque bougeraient bien moins que l'âge de l'Univers (→ chap. 8). La seconde porte sur les décalages vers le rouge eux-mêmes, et elle est entière. Les valeurs 30, 20 et 15 sont des résultats de la théorie, qui décrit comment le gaz s'effondre dans les halos de matière noire, se refroidit et forme des étoiles. On sait très précisément quel âge avait l'Univers à z = 30 ; on ne sait pas si les premières étoiles s'y trouvaient.

La date du relais est d'ailleurs une fourchette, « 15 à 20 », et non un instant. Klessen et Glover décrivent une domination, c'est-à-dire une proportion dans la formation d'étoiles de tout l'Univers, qui bascule d'une population à l'autre Klessen 2023. Rien, dans cette description, n'impose que la bascule se produise partout à la fois. Un gaz est enrichi en métaux quand des étoiles voisines y ont rejeté les leurs ; une région restée à l'écart peut rester vierge plus longtemps⁸. Cette remarque paraît anodine à ce stade. Elle explique pourtant pourquoi le meilleur candidat de population III connu se trouve à 830 millions d'années, bien après la fin théorique de leur époque.

Un portrait tiré des simulations

Tout ce que cette section décrit est prédit, pas observé. Les propriétés des étoiles de population III sont celles que donnent les calculs et les simulations numériques de l'effondrement du gaz primordial, que la revue de Klessen et Glover rassemble Klessen 2023. Le portrait qui en sort a trois traits principaux.

Le premier trait est le lieu de naissance. Selon la revue, le gaz primordial « se fragmente facilement » : en s'effondrant, un nuage ne donne pas une étoile unique mais se divise en plusieurs morceaux, et les premières étoiles naîtraient en petits amas Klessen 2023. Le mécanisme qui gouverne cette fragmentation n'est pas décrit dans les sources de ce livre. On sait en principe ce qu'il doit résoudre : un gaz qui s'effondre se comprime et s'échauffe, et pour atteindre la densité d'une étoile il doit se débarrasser de cette chaleur en rayonnant. Dans les galaxies actuelles, les métaux aident le gaz à rayonner ; le gaz primordial n'en a aucun (→ chap. 8). Comment un mélange d'hydrogène et d'hélium y parvient, et à quel rythme, fixe à la fois la date des premières étoiles et leur masse⁹. Le livre n'a pas encore la fiche qui l'explique.

Le deuxième trait est la répartition des masses. Les modèles donnent aux étoiles de population III une fonction de masse « logarithmiquement plate » Klessen 2023. Une fonction de masse dit combien d'étoiles naissent à chaque masse. « Logarithmiquement plate » signifie qu'il naît autant d'étoiles dans chaque intervalle où la masse est multipliée par un même facteur : autant d'étoiles entre 1 et 10 masses solaires qu'entre 10 et 100, autant entre 10 et 100 qu'entre 100 et 1 000 Klessen 2023¹⁰. Cette égalité des nombres a une conséquence sur la masse totale. Si chaque tranche compte autant d'étoiles, et que les étoiles de la tranche 10–100 pèsent dix fois plus que celles de la tranche 1–10, la tranche supérieure pèse à peu près dix fois plus que la tranche inférieure. L'essentiel de la masse d'une telle population se trouve donc dans ses étoiles les plus lourdes¹⁰. C'est ce que veut dire la formule « riche en étoiles massives ».

Le troisième trait est l'extrême. Dans les scénarios les plus poussés que la revue discute, certaines étoiles de population III atteindraient plusieurs centaines de milliers de masses solaires Klessen 2023. Leurs restes pourraient alors avoir servi de germes aux trous noirs supermassifs que l'on observe dans les quasars les plus lointains Klessen 2023, ces noyaux de galaxies extrêmement lumineux que le chapitre sur les âges sombres a croisés comme sondes de la réionisation (→ chap. 8)¹¹. L'idée répond à une question que les sources de ce livre ne détaillent pas : comment des trous noirs géants ont pu exister si tôt. Elle ne l'établit pas : elle fournit un candidat pour la graine.

Il faut mesurer l'amplitude de ce portrait. D'un côté, des amas de quelques milliers de masses solaires en tout, la taille que suggère le meilleur candidat observé (dernière section) Visbal 2025. De l'autre, une étoile isolée qui pèserait à elle seule cent fois plus qu'un tel amas entier. La même théorie couvre les deux, parce que la masse d'une étoile de population III dépend de détails de l'effondrement (refroidissement, fragmentation, rayonnement de l'étoile naissante sur son propre nuage) que les simulations traitent différemment et que rien n'a encore vérifié. Les masses de ces étoiles, leur nombre et leurs effets exacts restent hypothétiques⁵.

Un trait du portrait découle directement de la masse, et c'est lui qui interdit de les voir : une étoile massive vit peu. Pour une étoile de 25 masses solaires de type actuel, la combustion de l'hydrogène dure environ 10 millions d'années, puis les étapes suivantes s'accélèrent jusqu'à la combustion du silicium, qui ne dure que cinq jours, avant l'effondrement du cœur en quelques secondes wiki-sib. Ces chiffres ne sont pas ceux d'une étoile sans métaux, que les sources de ce livre ne donnent pas ; ils donnent l'ordre de grandeur¹². Une étoile de ce genre brille donc pendant une durée de l'ordre du dixième de l'ère des étoiles de population III, puis disparaît. Si la fonction de masse est bien riche en étoiles massives, l'essentiel de la lumière de cette population s'éteint vite, et il faut sans cesse de nouvelles naissances pour qu'elle continue de briller.

Ce qu'elles laissent : la première forge

Les premières étoiles agissent sur leur environnement de deux manières, que la revue de Klessen et Glover réunit en une phrase : leur rayonnement et leurs supernovas règlent la formation des étoiles qui suivent Klessen 2023. Ce que recouvre ce réglage, dans quel sens il agit (freiner ou déclencher la formation voisine), et à quelle échelle, les fiches ne le détaillent pas¹³. Deux effets sont en revanche établis par les chapitres voisins. Le rayonnement ultraviolet de ces étoiles est le premier à atteindre l'hydrogène neutre de la nuit : c'est par lui que devait apparaître, selon la prédiction, le creux radio que l'expérience EDGES a cherché Bowman 2018(→ chap. 8), et c'est le même rayonnement qui commencera à arracher les électrons de l'hydrogène intergalactique (→ chap. 11).

Le second effet est chimique, et il est le plus lourd de conséquences pour la suite du livre. C'est dans les premières étoiles, et dans leurs explosions, que sont forgés les premiers éléments au-delà du lithium Klessen 2023⁵. L'hélium d'une étoile fusionne en carbone ; chez les étoiles massives, la contraction et l'échauffement du cœur déclenchent ensuite la combustion du carbone, de l'oxygène, puis du silicium, jusqu'au nickel 56 qui donnera le fer wiki-stellarnucwiki-sib. Quand le cœur s'effondre, l'étoile explose en supernova, et une partie de ce qu'elle a fabriqué est projetée dans le gaz alentour. Dans le partage actuel des éléments entre leurs sources, l'oxygène, le magnésium, le silicium, le soufre et le calcium viennent surtout des étoiles massives, éjectés par ces supernovas à effondrement de cœur Kobayashi 2020.

Les rendements propres aux étoiles de population III, c'est-à-dire la quantité de chaque élément qu'une étoile sans métaux de telle masse fabrique et rejette, ne sont pas dans les sources de ce livre¹⁴. Une indication sur l'ordre des choses peut quand même se tirer du partage actuel. Environ la moitié du fer de l'Univers vient aujourd'hui des supernovas de type Ia, des explosions de naines blanches qui arrivent avec retard, puisqu'une naine blanche doit d'abord se former Kobayashi 2020. Et environ la moitié du carbone et de l'azote vient des vents d'étoiles de masse faible ou moyenne en fin de vie Kobayashi 2020, étoiles qui vivent plus longtemps que les massives. Pendant les premières dizaines de millions d'années de l'aube, seules les étoiles massives ont eu le temps de mourir. Les premiers métaux rejetés dans le gaz sont donc vraisemblablement ceux des supernovas à effondrement de cœur, où l'oxygène tient une grande place¹⁵. C'est un raisonnement sur le partage actuel, appliqué à une population dont on ignore les masses ; il reste à confronter aux calculs de la revue.

Le gaz enrichi par ces explosions donne naissance à la génération suivante. Ses étoiles contiennent des métaux, même en faible proportion : ce sont les étoiles de population II, qui prennent le relais vers z ≈ 15 à 20, soit entre 180 et 270 millions d'années environ Klessen 2023. À partir de ce moment, le mécanisme que Kobayashi et ses coauteurs décrivent pour toute l'histoire de la Galaxie est en marche : les éléments plus lourds que l'hélium sont fabriqués dans les étoiles, rejetés quand elles meurent, et la génération suivante naît de nuages qui les contiennent Kobayashi 2020. Fabriquer, rejeter, renaître : chaque tour de la boucle ajoute des métaux au gaz. Chaque étoile garde dans son atmosphère la chimie du gaz dont elle est née, ce qui en fait un fossile ; c'est le principe de ce que les astronomes appellent l'archéologie galactique Kobayashi 2020.

Le fil qui mène au Soleil part de là. Le Soleil naît environ 9,2 milliards d'années après le début, d'un gaz qui a déjà fait de nombreux tours de cette boucle (→ chap. 15)¹⁶. Le 1,39 % de sa masse qui n'est ni hydrogène ni hélium Asplund 2021 est la somme de tout ce que ces tours ont ajouté. On ne peut pas compter les générations qui séparent la population III du Soleil ; la fiche consacrée à cette histoire le dit non chiffrable, et l'image juste est celle d'un recyclage plutôt que d'une lignée ¹⁷. Les premières étoiles n'ont fourni qu'une infime partie des métaux du Soleil. Elles ont en revanche rompu l'état initial : après elles, plus aucune étoile n'a pu naître du gaz des premières minutes, sauf dans les régions qu'aucune explosion n'avait encore atteintes.

Des traces sans témoin

Personne n'a observé d'étoile de population III ⁵. La fiche sur l'aube cosmique en donne deux raisons : elles sont trop lointaines, et elles vivent trop peu Klessen 2023¹⁸. Une étoile vue à 100 ou 200 millions d'années est vue à travers presque toute l'histoire de l'Univers ; si elle est massive, elle n'a brillé que quelques millions d'années ; et elle était, selon le portrait de la théorie, regroupée avec d'autres dans un amas de quelques milliers de masses solaires, bien moins lumineux qu'une galaxie. Ce qu'on a, ce sont des traces laissées par ce qu'elles ont fait. Chacune établit qu'il y avait des étoiles avant un certain moment ; aucune ne dit ce qu'elles étaient.

La première trace est une chronologie reconstituée. En 2018, avant le télescope spatial James Webb, l'équipe de Takuya Hashimoto détecte, dans une galaxie vue à z = 9,1, une raie d'émission d'oxygène deux fois ionisé ; l'analyse de sa lumière révèle une composante d'étoiles dominante formée « environ 250 millions d'années après le Big Bang, ce qui correspond à un redshift d'environ 15 » Hashimoto 2018. La galaxie elle-même est vue vers 540 millions d'années ¹⁹. Ses étoiles les plus nombreuses avaient donc déjà près de trois cents millions d'années quand la lumière qui nous parvient est partie. L'ordre de grandeur coïncide avec la fin théorique de l'ère de la population III : à z ≈ 15, selon Klessen et Glover, la population II prend le relais Klessen 2023. La mesure ne dit pas à quelle population appartenaient ces étoiles. Elle dit qu'une galaxie formait des étoiles en nombre à l'époque où, selon la théorie, les premières étoiles achevaient leur règne.

La deuxième trace est chimique, et c'est la plus contraignante. En 2025, l'équipe de Sander Schouws détecte avec le réseau de radiotélescopes ALMA une raie de l'oxygène dans la galaxie JADES-GS-z14-0, vue à z = 14,18, soit à peine 300 millions d'années après le début Schouws 2025²⁰. La galaxie est « étonnamment enrichie en métaux » : sa métallicité vaut de 5 à 20 % de celle du Soleil Schouws 2025. Rapportée au Soleil, dont 1,39 % de la masse est faite de métaux Asplund 2021, cette fourchette correspond à environ 0,07 à 0,3 % de la masse du gaz²¹. Le chapitre sur les âges sombres s'en est servi comme d'une borne : il fallait des étoiles avant le chapitre 8. On peut en tirer davantage. L'oxygène est surtout produit par les étoiles massives et libéré par leur explosion Kobayashi 2020. Pour qu'une galaxie en contienne à 300 millions d'années, il a fallu que des étoiles naissent, vivent, explosent, et que leur oxygène se mêle au gaz d'une galaxie qui forme encore des étoiles. Une ou plusieurs générations l'ont précédée Schouws 2025. Si les premières étoiles apparaissent vers 100 millions d'années, comme le prévoit la théorie, tout cela a tenu en moins de deux cents millions d'années ; le Soleil, qui n'a qu'un peu plus de cinq fois plus de métaux que la borne haute de cette galaxie, est né 9 milliards d'années plus tard²². Les auteurs y voient la confirmation que les galaxies du jeune Univers évoluent vite Schouws 2025. Les étoiles de JADES-GS-z14-0 elles-mêmes, nées d'un gaz enrichi, ne sont pas de population III : la galaxie est un témoin de ce qui l'a précédée, pas un exemple.

La troisième trace est celle qu'on attendait le plus, et elle manque. Le rayonnement des premières étoiles modifie la manière dont l'hydrogène neutre absorbe à 21 cm, et l'allumage doit apparaître comme un creux dans le spectre radio du ciel, à quelques dizaines de mégahertz Bowman 2018. En 2018, EDGES annonce un tel creux, centré à 78 mégahertz, dont le bord indiquerait des étoiles dès 180 millions d'années ; mais sa profondeur est plus de deux fois supérieure aux plus grandes prédictions Bowman 2018. En 2022, le radiomètre SARAS 3 conclut que ce profil « n'est pas d'origine astrophysique » et le rejette à 95,3 % de confiance Singh 2022. Le chapitre sur les âges sombres a détaillé la mesure, sa difficulté et ce qui départagerait les deux instruments (→ chap. 8). Pour les premières étoiles, le bilan tient en une ligne : un allumage vers 180 millions d'années est plausible et compatible avec la théorie, mais il n'est pas mesuré.

Une quatrième trace possible reste à l'état de proposition. En 2025, Oswaldo Miranda publie un modèle d'évolution chimique qui couple la formation des structures aux rendements des étoiles de population III et de population II. Le « plateau de Spite », cette valeur uniforme du lithium dans les vieilles étoiles pauvres en métaux, trois fois inférieure à la prédiction des premières minutes, y apparaît naturellement ; il deviendrait une « signature observationnelle » de la formation des étoiles de population III Miranda 2025. Si cette lecture tenait, les premières étoiles auraient laissé leur marque dans une énigme vieille de plusieurs décennies, que le chapitre sur les trois premières minutes a exposée (→ chap. 5). C'est l'affirmation d'un seul auteur, qui n'est pas reprise par la communauté à ce stade, et la piste la plus suivie pour le lithium reste une destruction dans les étoiles elles-mêmes Korn 2024.

Mises ensemble, ces traces forment un encadrement plutôt qu'un portrait. Par le haut, l'oxygène de JADES-GS-z14-0 impose des étoiles mortes avant 300 millions d'années, et la population d'étoiles de Hashimoto une formation stellaire importante vers 250 millions d'années. Par le bas, rien : le seul signal qui aurait daté l'allumage est contesté. Et sur la nature des premières étoiles, leur absence de métaux, leur masse, leur regroupement, aucune de ces traces ne dit quoi que ce soit. Pour le savoir, il faudrait observer un système de population III lui-même.

LAP1-B, trouvé tard

Le meilleur candidat connu n'est pas à l'aube. On le trouve à z = 6,6, environ 830 millions d'années après le début Visbal 2025²³, soit plus de cinq cents millions d'années après la fin théorique de l'ère de la population III. Sur l'année cosmique, les premières étoiles règnent du 3 au 8 janvier environ ; LAP1-B brille vers le 22 ⁷.

On le voit grâce à une loupe. La masse courbe la trajectoire de la lumière qui passe à proximité ; c'est le principe des lentilles gravitationnelles, dont les astronomes se servent pour peser la masse des amas de galaxies, qu'elle soit visible ou non Clowe 2006²⁴. Un amas de galaxies massif, placé par hasard entre nous et une source beaucoup plus lointaine, dévie la lumière de cette source et peut la concentrer : la source paraît alors plus brillante qu'elle ne l'est. LAP1-B est amplifié de cette manière par l'amas de galaxies MACS J0416 Visbal 2025. Sans cet amas, l'objet serait sans doute trop faible pour être étudié²⁵.

En 2025, Eli Visbal, Richard Hazlett et Greg Bryan soutiennent que LAP1-B est « le premier objet à s'accorder avec trois prédictions clés » de la théorie pour la population III Visbal 2025. Les trois prédictions sont celles du portrait décrit plus haut. La première est un halo de très faible métallicité : le gaz où naissent les étoiles de LAP1-B serait presque vierge. La deuxième est une fonction de masse riche en étoiles massives, la « logarithmiquement plate » des simulations. La troisième est un regroupement en petits amas de quelques milliers de masses solaires Visbal 2025. Aucune des trois ne suffirait seule : une galaxie pauvre en métaux n'est pas forcément faite d'étoiles de population III, et un amas riche en étoiles massives peut naître d'un gaz enrichi. C'est leur conjonction qui fait de LAP1-B un candidat.

Reste le paradoxe de la date. Pourquoi le premier objet compatible avec la théorie des premières étoiles se trouve-t-il si tard, à une époque où la population II domine depuis longtemps ? Visbal et ses coauteurs répondent que LAP1-B a été trouvé « au redshift théoriquement attendu, compte tenu des limites actuelles d'observation, bien que la plupart des systèmes de population III se forment beaucoup plus tôt » Visbal 2025. Deux mouvements se croisent pour produire ce résultat. D'un côté, le nombre de systèmes de population III décroît avec le temps : ils sont bien plus nombreux vers 100 à 270 millions d'années, et deviennent rares ensuite, à mesure que le gaz vierge disparaît. De l'autre, la difficulté de les voir décroît aussi avec le temps : plus un système est proche de nous dans l'histoire cosmique, moins sa lumière a été affaiblie en chemin. Les systèmes de l'aube sont nombreux mais trop faibles pour les instruments actuels Visbal 2025. Les systèmes tardifs sont rares, mais un seul d'entre eux, s'il est placé derrière une loupe assez forte, franchit le seuil de détection. Le premier objet observable n'est donc pas le plus représentatif : c'est le plus favorablement placé²⁶.

Pour que ce raisonnement tienne, il faut qu'une poche de gaz vierge ait survécu jusqu'à 830 millions d'années. La section sur la date l'a laissé entendre : l'enrichissement en métaux se fait de proche en proche, par les explosions d'étoiles voisines, et une région restée isolée peut échapper longtemps au mélange ⁸. Le relais entre les populations, fixé « vers z ≈ 15 à 20 » Klessen 2023, décrit une moyenne sur tout l'Univers, pas une frontière que chaque nuage franchit en même temps. LAP1-B serait l'un des retardataires : une poche de gaz vierge tardive, fortement amplifiée, exactement le type d'objet que Visbal et ses coauteurs estiment possible de trouver avec les moyens actuels Visbal 2025.

Ce qui est établi ici doit être dit avec précision. LAP1-B n'est pas une détection confirmée d'étoiles de population III. C'est l'interprétation, par Visbal et ses coauteurs, des observations publiées par l'équipe de Kimihiko Nakajima en 2025 Visbal 2025²⁷. L'article d'observation n'a pas été lu pour ce livre, et les mesures sur lesquelles reposent les trois critères (la limite sur la métallicité, la forme de la fonction de masse, la masse des amas) ne sont connues ici qu'à travers l'article d'interprétation. Ce qui renforcerait ou affaiblirait le candidat se déduit des critères eux-mêmes : une mesure plus profonde qui détecterait des métaux dans le gaz de LAP1-B ferait tomber le premier ; d'autres objets du même type, trouvés derrière d'autres amas, feraient passer LAP1-B du statut d'exception à celui de premier exemple d'une classe²⁸. En l'état, la population III a un candidat, pas un spécimen.

Le contraste est d'autant plus frappant que le même télescope voit, bien plus tôt, tout autre chose. À 280 millions d'années, Webb confirme la galaxie MoM-z14, compacte et très lumineuse Naidu 2025 ; vers 300 millions d'années, JADES-GS-z14-0 contient déjà de l'oxygène Schouws 2025. À l'époque où la théorie place encore les dernières étoiles de population III, les objets qu'on voit sont des galaxies déjà enrichies, plus brillantes et plus nombreuses qu'on ne l'attendait. C'est la matière du chapitre 10.

Ce qu'on ne sait pas

On ne sait pas quand les premières étoiles se sont allumées. La valeur z ≈ 30, soit environ 100 millions d'années, est une prédiction de la théorie Klessen 2023. Elle est bornée par le haut par des observations solides, l'oxygène de JADES-GS-z14-0 vers 300 millions d'années Schouws 2025 et les étoiles formées vers 250 millions d'années dans la galaxie de Hashimoto Hashimoto 2018. Elle n'est bornée par le bas par aucune mesure acceptée : l'annonce d'EDGES est contestée par SARAS 3, et aucune des deux expériences n'atteint le seuil d'une découverte Bowman 2018Singh 2022. Ce qui trancherait est connu : des mesures globales indépendantes du spectre radio à 21 cm, puis des cartes de ce signal (→ chap. 8). L'incertitude sur la date d'allumage est de l'ordre de la centaine de millions d'années, soit l'ère entière de la population III.

On ne sait pas ce que pesaient les premières étoiles. La fonction de masse logarithmiquement plate et les petits amas sont les résultats des modèles ; les étoiles de plusieurs centaines de milliers de masses solaires appartiennent aux scénarios extrêmes Klessen 2023. Entre les deux, l'écart couvre plusieurs ordres de grandeur, et il tient à des étapes de l'effondrement, refroidissement et fragmentation du gaz, que la base de ce livre ne documente pas. Un seul objet, LAP1-B, s'accorde avec les prédictions Visbal 2025 ; il ne peut pas, à lui seul, trancher entre les scénarios.

On ne sait pas si les premières étoiles ont semé les trous noirs géants. C'est une possibilité ouverte par les scénarios extrêmes Klessen 2023. Elle dépend de l'existence de ces étoiles supermassives, qui n'est pas établie, et les sources de ce livre ne disent pas ce qui distinguerait observationnellement cette origine d'une autre.

On ne sait pas, dans les sources de ce livre, ce que les premières étoiles ont rejeté. Leurs rendements chimiques, la part de chaque élément que produit une étoile sans métaux selon sa masse, ne sont pas documentés. L'argument selon lequel les premiers métaux seraient dominés par l'oxygène des supernovas à effondrement de cœur est un raisonnement tiré du partage actuel des éléments Kobayashi 2020, pas un résultat lu dans une source sur la population III. De même, le « réglage » de la formation suivante par leur rayonnement et leurs supernovas Klessen 2023 n'est connu ici que par son énoncé.

On ne sait pas si LAP1-B est ce que Visbal et ses coauteurs en disent. L'interprétation est publiée ; l'article d'observation n'a pas été lu ; aucune confirmation indépendante n'est documentée Visbal 2025. La proposition selon laquelle le plateau du lithium serait une signature de la population III Miranda 2025 est dans le même cas : une thèse d'un seul auteur, non reprise à ce stade.

Ce qui ne fait pas débat, en revanche, c'est l'existence d'une première génération d'étoiles sans métaux. Elle ne dépend d'aucune des incertitudes précédentes : elle découle de l'arrêt de la chaîne des premières minutes aux masses 5 et 8 fields2014pdg et de la formation des éléments de masse 12 et plus dans les étoiles Kobayashi 2020.

Ce que ce chapitre démontre

Le gaz qui sort des premières minutes contient en masse environ 75 % d'hydrogène et 25 % d'hélium, avec des traces de deutérium, d'hélium 3 et de lithium, et rien d'autre wiki-chronofields2014pdg. La chaîne nucléaire s'arrête parce qu'il n'existe aucun noyau stable de masse 5 ou 8, dans un gaz si dilué que seules comptent les rencontres entre deux noyaux fields2014pdg. Les éléments de masse 12 ou plus, à commencer par le carbone qu'engendre la réaction triple alpha, ne sont pas produits pendant le Big Bang mais formés à l'intérieur des étoiles Kobayashi 2020wiki-stellarnuc. Puisque toutes les étoiles dont on connaît la composition contiennent des métaux, et que ces métaux viennent d'étoiles antérieures, il a existé une première génération d'étoiles sans métaux, la population III. L'argument est logique, pas observationnel.

Selon la revue de Klessen et Glover, ces étoiles se forment à des décalages vers le rouge de 30 et moins et dominent la formation stellaire jusqu'à z ≈ 15 à 20, où la population II, née d'un gaz enrichi, prend le relais Klessen 2023. Converties dans le modèle standard avec les paramètres de Planck, par t ≈ 17,2 milliards d'années × (1 + z)^(−3/2), ces valeurs donnent environ 100, 180 et 270 millions d'années ; la règle retrouve à moins de 10 % cinq couples publiés Planck 2018(→ chap. 8). La conversion est solide ; les décalages vers le rouge sont des prédictions.

Selon les modèles, les premières étoiles naissent en petits amas, avec une fonction de masse logarithmiquement plate, donc riche en étoiles massives ; dans les scénarios extrêmes, certaines atteindraient plusieurs centaines de milliers de masses solaires, et leurs restes pourraient avoir semé les trous noirs géants des premiers quasars Klessen 2023. Leur rayonnement et leurs supernovas règlent la formation des étoiles suivantes, et c'est en elles que sont forgés les premiers éléments au-delà du lithium Klessen 2023. La boucle d'enrichissement, fabriquer, rejeter, renaître, commence avec elles Kobayashi 2020 ; elle mène, plusieurs milliards d'années plus tard, au 1,39 % de métaux du Soleil Asplund 2021.

Aucune étoile de population III n'a été observée : elles sont trop lointaines et vivent trop peu. Les traces sont indirectes. En 2018, les étoiles d'une galaxie vue à z = 9,1 sont datées d'une formation vers 250 millions d'années Hashimoto 2018. ALMA détecte de l'oxygène dans JADES-GS-z14-0, à 5 à 20 % de la métallicité solaire, à peine 300 millions d'années après le début : des étoiles y sont déjà nées et mortes Schouws 2025. Le signal radio à 21 cm qui aurait daté l'allumage, annoncé par EDGES, est contesté par SARAS 3 Bowman 2018Singh 2022.

Le meilleur candidat, LAP1-B, se trouve à z = 6,6, environ 830 millions d'années après le début, amplifié par l'amas MACS J0416. Selon Visbal et ses coauteurs, c'est le premier objet qui s'accorde avec trois prédictions de la théorie : un halo de très faible métallicité, une fonction de masse riche en étoiles massives, de petits amas de quelques milliers de masses solaires Visbal 2025. Sa date tardive s'explique : les systèmes de population III sont bien plus nombreux plus tôt, mais trop faibles, et le premier observable est une poche de gaz vierge tardive, fortement grossie Visbal 2025. C'est une interprétation des données de Nakajima et ses coauteurs, pas une détection confirmée. L'existence des premières étoiles est une nécessité ; leurs propriétés restent une théorie qui n'a, pour l'instant, qu'un seul candidat.

Notes