Formation d’étoiles : −60 % — l’hydrogène de l’Univers est presque intact

La formation d’étoiles a diminué de plus de moitié dans tout le cosmos au cours des 4,5 derniers milliards d’années, et l’explication principale vient de s’effondrer. Une étude portant sur 2,5 millions de galaxies — combinant le radiotélescope le plus sensible du monde avec le plus grand relevé optique du ciel jamais assemblé — a révélé que l’Univers conserve encore la majeure partie de l’hydrogène neutre qu’il possédait à son apogée de formation stellaire. Quelle que soit la cause qui ferme les pouponnières cosmiques, ce n’est pas une pénurie de matière première.

Cette découverte, publiée dans Nature Astronomy, émane de chercheurs de l’Académie chinoise des sciences et de leurs partenaires internationaux au sein de la collaboration DESI. Il s’agit de la mesure directe la plus vaste jamais réalisée des réserves d’hydrogène cosmique. Elle tranche une question vieille de plusieurs décennies sur les raisons du vieillissement de l’Univers — et la réponse n’est pas celle que la plupart des astronomes attendaient.

L’ampleur du déclin est frappante. À son apogée, il y a environ 10 milliards d’années, l’Univers produisait des étoiles environ dix fois plus vigoureusement qu’aujourd’hui. Il y a quatre milliards et demi d’années — lorsque la Terre se formait à peine — le taux de formation stellaire cosmique était encore 2,5 fois plus élevé qu’actuellement. Si cette trajectoire se poursuit, l’Univers s’engage sur une voie lente et irréversible vers un ciel comptant toujours moins de nouveaux soleils. La question a toujours été : pourquoi ?

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Comment ils ont mesuré la réserve d’hydrogène de l’Univers

La théorie dominante était intuitive : en vieillissant, les galaxies épuisent leurs réserves de gaz. Moins de carburant signifie moins d’étoiles. Pour tester cette hypothèse à l’échelle de l’Univers observable, les chercheurs devaient mesurer l’hydrogène atomique neutre — la forme la plus abondante de l’hydrogène dans le milieu interstellaire — sur des milliards d’années-lumière simultanément. Cela n’avait jamais été possible auparavant avec une telle précision.

L’équipe a combiné deux instruments qui, ensemble, rendent la mesure réalisable pour la première fois. FAST — le radiotélescope sphérique de cinq cents mètres d’ouverture dans la province du Guizhou, en Chine, actuellement le plus grand radiotélescope à antenne unique au monde — détecte la faible émission radio à 21 centimètres que l’hydrogène neutre émet naturellement. DESI, le spectroscope pour l’énergie noire situé en Arizona, a fourni les décalages vers le rouge optiques précis pour les 2,5 millions de galaxies de l’étude, établissant leurs distances et donc l’époque cosmique à laquelle chacune a été observée.

La technique, appelée empilement spectral HI, a relevé le défi central : aucune galaxie lointaine isolée n’émet un signal d’hydrogène suffisant pour être détectée individuellement à des distances cosmologiques. En alignant et en empilant des millions de spectres radio faibles selon les décalages vers le rouge précis fournis par DESI, l’équipe a transformé le bruit en signal statistique — l’équivalent d’écouter des millions de conversations silencieuses simultanément au lieu d’essayer d’isoler un unique murmure à travers une pièce. Le relevé résultant a couvert environ un tiers de la totalité du ciel, remontant jusqu’à 4,5 milliards d’années dans le temps cosmique. Rien de cette ampleur et de cette sensibilité n’avait été tenté auparavant.

Ce que les chiffres montrent réellement

Les résultats étaient sans ambiguïté — et gênants pour le modèle standard. La densité d’hydrogène neutre dans le volume étudié n’a diminué que d’un facteur de 1,4 sur la même période de 4,5 milliards d’années qui a vu le taux de formation stellaire chuter d’un facteur de 2,5. En termes proportionnels : la formation d’étoiles a chuté d’environ 60 %. La réserve d’hydrogène a diminué d’environ 29 %.

L’écart entre ces deux chiffres constitue le problème pour la théorie existante. Si l’épuisement de l’hydrogène était le moteur principal de l’effondrement de la formation stellaire, les deux courbes suivraient de près la même tendance. Ce n’est pas le cas. Le décalage signifie que des milliards d’années-lumière cubes d’hydrogène neutre restent inutilisés dans les espaces entre et au sein des galaxies — disponibles en principe pour former des étoiles, mais ne le faisant pas. L’Univers ne convertit pas son hydrogène en étoiles assez rapidement pour expliquer le déclin observé, et le déficit de conversion ne peut pas être expliqué par une simple moindre disponibilité de l’hydrogène.

La comparaison à travers le temps cosmique renforce le constat. À l’époque il y a 4,5 milliards d’années, qui correspond aux mesures les plus profondes de l’étude, le rapport entre l’activité de formation stellaire et l’hydrogène disponible était mesurablement plus élevé qu’aujourd’hui. Quelque chose a changé dans l’efficacité avec laquelle le gaz se convertit en étoiles — et ce quelque chose n’est pas la quantité de matière première disponible.

Quoi d’autre pourrait arrêter les étoiles

L’article identifie l’endroit où se trouve très probablement le goulot d’étranglement. L’hydrogène atomique neutre ne s’effondre pas directement en étoiles. Il doit d’abord se convertir en hydrogène moléculaire — la phase plus dense et plus froide qui peut effectivement se condenser sous l’effet de la gravité pour former des pouponnières stellaires. L’efficacité de cette conversion, plutôt que l’approvisionnement en hydrogène atomique en amont, est désormais le principal suspect pour expliquer le ralentissement des usines à étoiles de l’Univers.

Qu’est-ce qui contrôle cette efficacité de conversion ? Plusieurs mécanismes sont candidats. La rétroaction des trous noirs supermassifs au centre des galaxies — jets et vents énergétiques qui chauffent le gaz environnant — peut empêcher l’hydrogène atomique de refroidir pour entrer dans la phase moléculaire nécessaire à la formation stellaire. Le rayonnement des générations antérieures d’étoiles peut ioniser le gaz plus vite que la gravité ne peut l’agglomérer. Les propriétés du milieu circumgalactique, les halos de gaz diffus qui entourent les galaxies, peuvent avoir évolué au fil du temps cosmique de manière à réduire le taux auquel l’hydrogène atomique s’installe dans les nuages formant des étoiles. Aucun mécanisme unique n’a été confirmé comme étant dominant. La contribution de l’étude est d’établir, avec une certitude et une ampleur sans précédent, qu’aucun d’entre eux ne fonctionne en épuisant la réserve d’hydrogène elle-même.

Ce que cette étude ne tranche pas

La mesure est un résultat à l’échelle de la population, moyenné sur des millions de galaxies, et non un diagnostic de l’évolution d’une galaxie individuelle. La méthode d’empilement donne des moyennes cosmiques statistiquement robustes ; elle ne peut pas isoler ce qui se passe à l’intérieur de types de galaxies, de gammes de masses ou d’environnements spécifiques. Une image galaxie par galaxie des raisons pour lesquelles la formation stellaire est supprimée reste hors de portée de cette technique.

Plus fondamentalement, l’étude a mesuré l’hydrogène atomique — la phase HI. Ce qui alimente en fin de compte la formation stellaire, c’est l’hydrogène moléculaire, la phase H₂, qui est bien plus difficile à détecter aux distances cosmologiques. Cartographier l’hydrogène moléculaire sur le même volume que ce relevé serait une tâche d’observation bien plus exigeante et n’est pas encore techniquement réalisable à cette échelle. Le goulot d’étranglement entre le gaz atomique et le gaz moléculaire, que cet article identifie comme le coupable probable, reste non mesuré à l’échelle nécessaire pour résoudre la question.

Les auteurs notent que de multiples processus physiques interagissent probablement pour produire le déclin observé de la formation stellaire à travers différents environnements et époques cosmiques. Toute théorie complète devra tenir compte non seulement de ces mesures d’hydrogène, mais aussi des observations des histoires individuelles de formation des galaxies, des environnements de formation stellaire et du rôle des flux de gaz à l’échelle galactique.

Questions courantes sur le déclin cosmique de la naissance des étoiles

Pourquoi le taux de formation stellaire est-il important pour l’avenir de l’Univers ?

Les étoiles forgent les éléments lourds qui composent les planètes, la chimie et la vie. À mesure que le taux de formation de nouvelles étoiles diminue, la capacité de l’Univers à construire de nouveaux systèmes planétaires et à reconstituer les éléments qu’ils nécessitent décline avec lui. La tendance mesurée par cette étude représente la signature empirique d’un cosmos en déclin lent et irréversible — le début de la fin de l’époque stellaire.

Notre Soleil est-il affecté par ce ralentissement cosmique ?

Non. Le Soleil s’est formé il y a 4,6 milliards d’années et continuera de brûler pendant encore environ 5 milliards d’années. Le ralentissement décrit le taux auquel de nouveaux systèmes stellaires s’allument à travers l’Univers, et non le comportement des étoiles déjà formées. Notre Système solaire est protégé de cette tendance par son âge.

Qu’est-ce qui rend FAST essentiel pour ce type de mesure ?

L’ouverture de 500 mètres de FAST lui confère une surface de collecte environ 40 fois plus grande que tout autre radiotélescope à antenne unique précédent. Cette sensibilité est ce qui permet de détecter le faible signal d’hydrogène à 21 centimètres provenant de galaxies situées à des milliards d’années-lumière. Sans la puissance de collecte de FAST, la technique d’empilement ne produirait pas de résultat statistiquement significatif à ces distances.

Cette étude signifie-t-elle que la théorie de la « crise du carburant » du vieillissement des galaxies est erronée ?

Elle remet en cause la version la plus simple : celle selon laquelle la diminution de l’approvisionnement en hydrogène atomique entraîne directement la baisse de la formation stellaire. La réserve d’hydrogène n’a pas chuté assez rapidement pour expliquer la baisse observée de la naissance des étoiles. Un processus plus complexe — impliquant très probablement la manière inefficace dont cet hydrogène se convertit en la phase moléculaire nécessaire à la formation stellaire — semble être à l’œuvre.

La prochaine étape immédiate de l’équipe consiste à mesurer l’hydrogène moléculaire à des échelles cosmiques comparables, une tâche que les installations de nouvelle génération, notamment le Square Kilometre Array, pourraient éventuellement rendre réalisable. D’ici là, la question ouverte la plus conséquente de l’Univers concernant son propre futur s’est enrichie d’un paradoxe confirmé : le cosmos possède encore la majeure partie de son hydrogène, et il est toujours à court d’étoiles.

Référence : et al., « Cosmic star formation rate decline is not driven by neutral hydrogen depletion », Nature Astronomy, 2026. DOI : 10.1038/s41550-026-02965-9

Étiquettes: astronomy, cosmology, DESI, FAST telescope, neutral hydrogen, star formation

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