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L'exploration de la première enfance de l'univers
Jean-Paul Baquiast - 12/11/2012

Le phénomène du Big Bang, comme ses modalités, font l'objet aujourd'hui chez les astrophysiciens d'un consensus que nous pourrions qualifier de "globalement général". Il en est de même des événements s'étant produits après la phase dite d'inflation, et ceux ayant marqué l'histoire de l'univers en découlant(1).

Néanmoins, fréquentes sont les observations qui sont présentées comme difficiles à expliquer dans ce cadre, concernant par exemple l'existence ou l'état de certaines étoiles ou galaxies supposées très anciennes, qui n'auraient pas eu le temps de se former et d'atteindre cet état, si l'Univers avait l'age que la théorie du Big Bang lui attribue. Mais ces observations étant épisodiques et fragiles, l'essentiel de l'histoire de l'univers, tant concernant son passé que son futur supposé, n'est pas remis en cause, sauf par des voix très hétérodoxes(2).

Par contre l'épais mystère concernant les premières centaines de milliers d'années de l'existence de l'univers après le Big Bang suscite un nombre croissant de recherches et hypothèses. Ceci est du à l'amélioration, lente mais continue, des moyens d'observer et d'analyser les informations qui nous sont parvenues de ces époques primordiales. Les plus puissants des télescopes actuels permettent d'observer l'univers tel qu'il était 500 millions d'années après sa naissance, censée s'être produite il y a environ 13,7 milliards d'années. Il ne paraît pas différent de l'univers actuel. Pour remonter en deçà, on ne dispose que des observations en micro-ondes du CMB ou fonds diffus cosmologique à 2,7 degrés kelvin et de ses anisotropies.

Après les satellites américains Cobe et Wilkinson, c'est dorénavant le satellite européen Planck qui a pris le relais. Il est conçu pour étudier avec une sensibilité fortement améliorée les infimes variations de température du fonds diffus cosmologique observées dans le domaine du micro-onde et montrant l'univers tel qu'il était 380 000 ans après le Big Bang. L'interprétation de ces variations reste évidemment difficile, Les questions posées et encore sans réponses précises demeurent nombreuses, portant notamment sur les causes de la distribution de matière-énergie qui s'est produite à ces époques, ou celles concernant les causes et l'ordre d'apparition des nuages de gaz et poussières, des galaxies et des étoiles primitives.

Une nouvelle source de rayonnement

Mais il existe dorénavant une nouvelle source de rayonnement à laquelle il devient possible de faire appel pour combler l'absence actuelle de données entre l'observation du "flash" initial et celle des premières structures galactiques datant de 500 millions d'années. Il s'agit du signal hydrogène ("hydrogen signal")(3).
De quoi s'agit-il ? Le phénomène révélé par l'observation du CMB a inauguré une période dite de "recombinaison". Le cosmos né du Big Bang avait suffisamment refroidi pour que les protons et les électrons forment des atomes d'hydrogène neutre qui se sont agrégés en amas désordonnés, au sein desquels la gravité à permis que s'allument les premières étoiles. Les radiations très énergétiques en découlant ont inauguré une nouvelle phase dans l'histoire de l'univers, dite de re-ionisation. Les atomes d'hydrogène neutre formés lors de la recombinaison ont été cassés, libérant des électrons et des protons. Cette période se serait terminée 700 millions d'années environ après le Big Bang.

Dans un article du NewScientist daté du 27 octobre (voir source ci-dessous), l'astrophysicien Abraham Loeb de Harvard et le chercheur Jonathan Pritchard à l'Impérial College London montrent comment il est désormais possible d'observer le rayonnement fossile émanant des atomes de l'hydrogène neutre produit par la recombinaison. Lorsque les électrons et protons isolés au sein d'un atome d'hydrogène neutre enregistrent un changement d'orientation magnétique, ils émettent de l'énergie sous forme de photons à la longueur d'onde bien définie de 21 cm. L'observation de ce signal (hydrogen signal) prédit par l'astronome hollandais Heindrick van de Hulst en 1942 permet aujourd'hui de mettre en évidence les espaces du cosmos où l'hydrogène neutre ne se trouve pas, puisqu'il a été ionisé par les radiations à haute énergie provenant des étoiles ou des trous noirs super-massifs au centre des galaxies. Ceci permet de dresser des cartes des astres, ainsi qu'à l'inverse des cartes des espaces "vides" d'astres.

L'émission du signal hydrogène est par ailleurs aussi soumise à l'effet Doppler. Son étirement en longueur d'onde permet de distinguer les parties de galaxies qui s'éloignent de nous et celles qui s'en rapprochent. L'effet Doppler portant sur l'émission du signal hydrogène est encore plus intéressant quand il permet d'estimer la distance des galaxies lointaines. Plus la source est ancienne, et donc éloignée, et comme l'expansion de l'univers l'éloigne encore, plus la longueur d'onde de la radiation est étirée. Il est donc possible de construire des cartes de l'univers en 3 dimensions, dont l'une marquera l'effet de recul dans le temps. De nombreuses hypothèses pourront alors être construites concernant le comportement de l'univers dans ses premiers âges, et celui des astres et corps célestes le composant, y compris les neutrinos et la matière noire. Les questions encore sans réponses évoquées ci-dessus pourraient alors trouver des solutions.

La voie qui s'esquisse ainsi n'est cependant pas sans rencontrer un grand nombre d'obstacles. Les émissions radio provenant de l'hydrogène primitif se présentent à des longueurs d'onde d'environ 2 m, infiniment supérieures à celles des émissions radio accompagnant la lumière visible. Il faut alors disposer de radiotéléscopes d'une taille jamais encore atteinte, bien supérieure à celle des disques de 305 m de diamètres existant aujourd'hui à Arecibo, Puerto Rico. L'on devra pour l'avenir envisager des solutions à multiples antennes raccordées, comme au Giant Matrewave Radio Telescope de Pune, en Inde. Mais celui-ci est encore trop petit pour disposer d'un pouvoir séparateur suffisant. D'autres projets existent, beaucoup plus ambitieux, en Afrique du Sud, en Australie et même sur la Lune. Ils sont gênés aujourd'hui par le manque de crédits.

Mieux connaître les premiers âges de notre univers et l'origine des différentes formes de matière qu'il contient serait cependant indispensable pour mieux comprendre son état actuel et son évolution future. Le prix vaudrait d'être payé.

Source
Loeb et Pritchard The missing reel , Newscientist, 27 octobre 2012

Notes
(1) Concernant l'histoire de l'univers, rappelons quelques dates aujourd'hui généralement admises:
L'univers existe depuis 15 milliards d'années. Un centième de seconde après le big-bang apparaissaient les particules atomiques, protons, neutrons, et électrons. Les noyaux de deutérium (assemblage de 1 proton, 1 neutron et 1 électron) se sont formés au bout de 1 seconde. Les noyaux d'hélium (2 protons, 2 neutrons) au bout de un quart d'heure. Puis la création va ralentir son rythme...
Les atomes les plus légers se sont formés 300.000 ans plus tard: atomes d'hydrogène (1 proton et 1 électron) et atomes d'hélium (2 proton, 2 neutrons, 2 électrons). Les nuages froids d'hydrogène et d'hélium se forment au bout de 1 million d'années.
Sous l'action de la gravitation, ces nuages se condensent et donnent naissance aux premières galaxies dans lesquelles naissent les premières proto-étoiles. Nous sommes alors 100 millions d'années après le Big-Bang.
Les étoiles et les planètes telles que nous les connaissons se sont formées au bout de 5 milliards d'années. Quant à la planète Terre, elle existe depuis 4,6 milliards d'années, soit plus de 10 milliards d'années après le Big-Bang. (source Syty.net).
(2) Nous avons précédemment relaté ici l'hypothèse dite du New Big Bang Fractal due à Mario Cosentino; dont nous sommes parfaitement incapables de juger de la pertinence. L'auteur nous a envoyé un nouveau résumé, mis à jour, que les curieux trouveront ici.
(3) Voir par exemple "Mapping Cosmic Structure Using 21-cm Hydrogen Signal at Green Bank Telescope"

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