L'Univers fabrique de moins en moins d'étoiles. L'explication qui vient à l'esprit est une pénurie de carburant : moins de gaz froid, moins d'étoiles. Une équipe internationale menée par l'Académie chinoise des sciences vient de tester cette idée à très grande échelle, avec le radiotélescope FAST et le relevé DESI. Verdict : le réservoir d'hydrogène atomique de l'Univers est resté presque intact depuis 4,5 milliards d'années, alors que la fabrication d'étoiles a chuté de plus de moitié. Le gaz est toujours là, il se transforme simplement de moins en moins.
Un radiotélescope pour le gaz, un relevé pour les galaxies
Deux instruments sont au cœur de l'affaire. Il faut les présenter avant tout le reste, car c'est leur union qui rend la mesure possible.
Le premier est FAST, le Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope, en français « télescope radio sphérique à ouverture de 500 mètres ». Il est posé dans une cuvette naturelle de la province du Guizhou, en Chine. Son antenne de 500 mètres de diamètre en fait le plus grand radiotélescope à surface pleine au monde. Sa spécialité : capter la raie à 21 centimètres, une émission radio très faible que chaque atome d'hydrogène neutre laisse échapper. Cette raie est la seule façon directe de repérer l'hydrogène atomique, le HI, le gaz froid qui précède la naissance des étoiles.
Le second est DESI, le Dark Energy Spectroscopic Instrument, « instrument spectroscopique pour l'énergie noire ». Il est installé sur le télescope Mayall de 4 mètres, à l'observatoire de Kitt Peak, en Arizona. C'est une machine à mesurer des distances : ses 5 000 fibres optiques pointent en même temps vers 5 000 galaxies, et son spectrographe lit leur décalage vers le rouge, l'étirement de leur lumière qui trahit leur éloignement. Chaque mesure fixe la position d'une galaxie dans l'espace et dans le temps.
2,5 millions de galaxies écoutées en même temps
Un seul atome d'hydrogène dans une galaxie lointaine émet un signal cent milliards de fois trop faible pour être détecté. La parade de l'équipe : ne pas chercher les galaxies une par une, mais les empiler. Concrètement, on aligne le spectre radio de centaines de milliers de galaxies sur leur décalage vers le rouge, puis on les additionne. Le bruit de fond, qui part dans tous les sens, s'annule en partie. Le signal d'hydrogène, lui, s'ajoute et finit par émerger. Cette méthode porte un nom : la superposition spectrale, ou stacking.
L'exercice porte sur 2 473 945 galaxies exactement, réparties sur environ 12 000 degrés carrés, près d'un tiers du ciel. Les galaxies viennent du Bright Galaxy Survey de DESI, la partie du relevé consacrée aux galaxies proches et brillantes. FAST fournit l'hydrogène, DESI fournit les positions. Deux familles de données que rien ne reliait à cette échelle avant ce travail.
Le gaz a presque tenu, les étoiles ont lâché
Voici le résultat, en deux chiffres. Il y a 4,5 milliards d'années, l'Univers formait environ 2,5 fois plus d'étoiles qu'aujourd'hui. Au même moment, sa densité d'hydrogène atomique n'était que 1,4 fois plus élevée. Autrement dit : la fabrication d'étoiles a fondu de plus de moitié, alors que le carburant disponible n'a presque pas bougé.
Ce n'est pas un détail de comptable. Si les étoiles manquaient de gaz, les deux courbes devraient chuter ensemble. Elles ne chutent pas ensemble. L'équipe va même plus loin et corrige les biais de mesure les plus défavorables à sa propre conclusion, notamment la confusion dans le faisceau de FAST, quand deux galaxies se retrouvent dans le même champ de vision. Le facteur de baisse du gaz brut est de 1,35. Après corrections, il tombe à 1,12, avec une incertitude de 0,10. En clair : la quantité totale de HI dans l'Univers n'a peut-être pas changé du tout.
Le résultat ne se limite pas à une moyenne globale, ce qui aurait pu masquer des changements internes. L'équipe a mesuré séparément la proportion de gaz pour chaque tranche de masse des galaxies. Cette proportion évolue de moins de 0,2 dex sur toute la plage étudiée, soit moins d'un facteur 1,6, et la forme de la relation ne bouge pas. Traduction : ce ne sont pas certaines galaxies qui ont perdu leur gaz pendant que d'autres compensaient. C'est l'ensemble de la population qui se comporte de la même façon.
Où passe le gaz ?
Si le carburant reste, pourquoi les étoiles se raréfient-elles ? Parce que l'hydrogène atomique n'est pas encore utilisable directement. Pour naître, une étoile a besoin d'hydrogène moléculaire, le H2, deux atomes d'hydrogène liés ensemble dans des nuages froids et denses. Le HI en est l'étape d'avant, une réserve intermédiaire entre le gaz qui afflue de l'extérieur et la matière qui s'effondre en étoiles.
L'idée des auteurs : ce n'est pas le réservoir qui se vide, c'est la conversion qui grippe. Avec l'expansion de l'Univers, le gaz se dilue, les nuages deviennent moins denses, et le passage du HI au H2 perd en efficacité. Le réservoir d'hydrogène neutre se maintient, mais la part qui parvient à se muer en nuages moléculaires diminue. Moins de H2, donc moins d'étoiles, sans que le carburant de départ ait disparu.
L'image à garder : une rivière dont le débit à la source ne bouge pas, mais dont l'usine en aval tourne au ralenti. L'eau coule toujours, la production baisse. Ce n'est pas la sécheresse qui arrête la chaîne, c'est le rendement.
Ce que cela change
L'étude déplace la question. On a longtemps demandé : « l'Univers manque-t-il de gaz ? ». Il faut désormais demander : « pourquoi forme-t-il si difficilement des étoiles alors qu'il ne manque pas de gaz ? ». Ce renversement oriente les recherches vers le cycle du gaz dans les galaxies, ce va-et-vient permanent entre l'intérieur des galaxies et le milieu intergalactique, où le gaz est tour à tour attiré, transformé, expulsé puis réincorporé.
Le résultat verrouille aussi les modèles. Il fournit une contrainte serrée : toute bonne théorie de formation des galaxies doit reproduire un Univers dont le réservoir d'hydrogène neutre reste presque figé pendant que sa production d'étoiles s'effondre. Deux simulations de référence encaissent le choc différemment. IllustrisTNG prédit un réservoir presque constant, ce qui colle aux observations, mais surestime le gaz des galaxies les plus massives. SIMBA sous-estime le gaz des galaxies légères et surestime celui des grosses.
Pour aller plus loin
- Les concepts clés, expliqués simplement : la formation stellaire, les galaxies et la spectroscopie.
- Repérez les galaxies de votre ciel avec notre carte du ciel interactive et son guide d'observation.
- Les sources officielles : le communiqué de l'Académie chinoise des sciences, l'article scientifique sur arXiv et sa publication dans Nature Astronomy. Le communiqué EurekAlert et le résumé de ScienceDaily complètent le dossier.
