L'Univers primitif, tel qu'il existait environ 400 millions d'années après le Big Bang, se caractérisait par une simplicité chimique composée exclusivement d'hydrogène, d'hélium et de traces de lithium, en l'absence totale d'éléments plus lourds qualifiés de « métaux » par les astronomes. Depuis des décennies, les scientifiques émettent des hypothèses sur la formation des premières étoiles, dites de population III, à partir de ce gaz primordial, bien que leur détection soit restée extrêmement complexe en raison des distances colossales et de l'effet de décalage vers le rouge avant le lancement du télescope spatial James Webb (JWST).
L'analyse des données recueillies par le JWST, initialement présentée en 2024 et confirmée par des études en 2026, a fourni la première preuve directe de l'existence d'étoiles de population III. Les chercheurs ont identifié une source de rayonnement, baptisée « Hébè » (Hebe), dans le halo de la galaxie GN-z11 à décalage vers le rouge élevé, observée à une époque située environ 430 millions d'années après le Big Bang. L'objet Hébè se situe à environ trois kiloparsecs (kpc) du centre de la galaxie GN-z11, laquelle affiche un décalage vers le rouge de z≈10,6. Une équipe internationale de scientifiques a utilisé le spectrographe dans l'infrarouge proche du JWST (NIRSpec-IFU) pour analyser en détail la lumière émanant de la région d'Hébè.
Le spectre obtenu a formellement confirmé l'absence totale de raies d'émission de carbone, de néon, d'oxygène et d'autres éléments lourds, prouvant ainsi la pureté chimique du gaz. Malgré cet environnement de métallicité nulle, l'objet a manifesté un signal intense dans la raie spectrale de l'hélium deux fois ionisé (HeII) à une longueur d'onde de 1640 Å. La génération d'HeII nécessite des photons ultraviolets d'une énergie supérieure à 54,4 électronvolts, ce qui exclut les étoiles ordinaires semblables au Soleil. La largeur équivalente élevée de ce rayonnement (plus de 20 Å) concorde avec les modèles prédisant une limite supérieure de la fonction de masse initiale (IMF) de ces étoiles d'au moins 500 masses solaires (M⊙).
L'équipe de recherche a rigoureusement testé et largement écarté les explications alternatives. L'hypothèse d'un noyau galactique actif (AGN) avec un trou noir supermassif en accrétion a été rejetée, car la raie étroite de l'HeII ne présentait pas l'élargissement cinétique prédit par des vitesses de gaz élevées. La possibilité d'étoiles Wolf-Rayet a également été exclue, car leurs vents stellaires dépendent des éléments lourds, absents de la zone d'Hébè dépourvue de métaux. L'exclusion de ces modèles a conduit les chercheurs à conclure que la source d'ionisation doit être un amas d'étoiles de population III. Sur la base de la luminosité de la raie HeII, la masse stellaire totale formée lors de cet épisode a été estimée à environ $2 \times 10^5$ M⊙.
La modélisation théorique, réalisée par l'équipe dirigée par Elke Roest, suggère que ces étoiles primitives avaient une IMF orientée vers des objets de masse très importante, allant de dix à cent masses solaires. Cette observation conforte les théories selon lesquelles l'absence d'éléments lourds a entraîné un effondrement plus chaud, favorisant la formation d'étoiles extrêmement massives dans l'Univers primitif. Ces étoiles massives ont achevé leur courte existence sous forme de supernovas par instabilité de paire, dispersant les premiers éléments lourds et permettant ainsi l'évolution cosmique ultérieure. Une étude distincte, menée par le groupe du professeur Roberto Maiolino de l'Université de Cambridge, avait initialement découvert des indices de ce nuage de gaz primordial en 2024, et une confirmation indépendante a été obtenue grâce à la détection de la raie Hγ au même endroit et au même décalage vers le rouge, comme indiqué dans un travail connexe.
