La première lumière de l Univers Understand article

Traduit par Ruby Veerapen. Ana Lopes et Henri Boffin nous font remonter le temps, en quête d'informations sur l'histoire de l'Univers.

Vous êtes vous déjà demandé quand les premières lueurs de l’Univers se sont mises à briller ? Si une majorité d’entre nous a déjà observé un lever de Soleil, l’aube d’un nouveau jour, les astronomes vont encore plus loin, recherchant les premières sources de lumière, scrutant l’histoire de l’Univers au moyen de puissants télescopes. Plus ambitieuse encore est leur ultime quête : retracer toute histoire de l’Univers, depuis la naissance de ce dernier – avec le Big Bang – jusqu’à nos jours, près de 14 000 millions (14 milliards) d’années plus tard.

Photographies de l’Univers

Vue d’artiste de l’engin
spatial COBE, mis en orbite
autour de la Terre par la
NASA en 1989 dans le but de
réaliser une carte complète
du fond diffus cosmologique
laissé par le Big Bang. Les
premiers résultats ont été
publiés en 1992

Image reproduite avec
l’aimable autorisation de NASA
/ COBE Science Team

La lumière n’a été en mesure de voyager librement dans l’Univers qu’à compter de 400 000 ans après le Big Bang. Depuis ce dernier, l’Univers n’a cessé de s’étendre et de se refroidir (pour une description, voir Boffin & Pierce-Price, 2007), étirant cette lumière primitive depuis sa haute fréquence d’origine jusqu’à permettre sa détection aujourd’hui en tant que photons dans la gamme des micro-ondes : le fond diffus cosmologique émanant de tous les recoins de l’Univers.

Les astronomes, à l’instar des historiens, utilisent souvent des photos et autres images pour déchiffrer le passé.

Se servant des satellites COBE (COsmic Background Explorer) et WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe)w1 pour cartographier le fond diffus cosmologique, les astronomes ont obtenu une « photo » de l’Univers tel qu’il était environ 400 000 ans après le Big Bang. Ce sont les données de COBE qui ont valu à John Mather et George Smoot de se voir décerner le Prix Nobel de physique en 2006.w2

Vue d’artiste de l’engin
spatial COBE, mis en orbite
autour de la Terre par la
NASA en 1989 dans le but de
réaliser une carte complète
du fond diffus cosmologique
laissé par le Big Bang. Les
premiers résultats ont été
publiés en 1992

Image reproduite avec
l’aimable autorisation de NASA
/ COBE Science Team

Le modèle cosmologique standard expliquant comment l’Univers a évolué nous dit qu’aux alentours de 400 000 ans après le Big Bang, la température de l’Univers avait chuté jusqu’à atteindre environ 3 000 degrés Kelvin, une température suffisamment basse pour que tous les électrons et protons s’associent et forment l’hydrogène neutre à partir du gaz ionisé. Or, les électrons de l’hydrogène neutre (tout comme ceux d’autres atomes ou molécules) absorbent les photons avec une grande efficacité si bien qu’un univers rempli d’hydrogène neutre est opaque.

À contrario, lorsque protons et électrons sont séparés, ils ne peuvent capturer de photons si bien qu’un univers rempli de gaz ionisé – comme c’était le cas jusqu’à environ 400 000 ans après le Big Bang, et de nouveau aujourd’hui – est relativement transparent. Les cartes de COBE et WMAP montrent l’Univers tel qu’il était durant l’étape opaque, au commencement des « âges sombres » de l’Univers. Cette période a pris fin avec la réionisation de ce dernier (voir le schéma de droite).

Nous avons également des « photos » d’un Univers bien plus récent : des galaxies pleines d’étoiles, telles qu’elles étaient 1 000 millions d’années après le Big Bang – après que l’Univers soit redevenu transparent. La lumière ayant une vitesse finie (300 000 km s-1), celle provenant d’objets éloignés met beaucoup plus de temps à nous atteindre que celle émanant d’objets voisins ; ainsi, les objets éloignés nous apparaissent tels qu’ils étaient il y a bien longtemps. En les observant, les astronomes ont réussi à voir la lumière qui avait voyagé pendant près de 13 000 millions d’années ; en d’autres mots, ils ont vu ces objets tels qu’ils étaient moins de 1 000 millions d’années après le Big Bang.

Mais que s’est-il passé entre ces deux images, entre la libération du fond diffus cosmologique, 400 000 ans après le Big Bang, et l’émission de la lumière par ces galaxies très éloignées, près de 1 000 millions d’années plus tard ? Quand et comment le brouillard cosmologique s’est-il levé ? Qu’est-ce qui a transformé une mer de particules quasiment dénuée de structure en un Univers illuminé par une multitude d’étoiles dans de jeunes galaxies ?

Vue d’ensemble de l’histoire
cosmologique. Cliquer sur
l’image pour l’agrandir

Image reproduite avec
l’aimable autorisation de SG
Djorgovski et Digital Media
Center, Caltech

Pour reprendre l’analogie d’Abraham Loeb, astronome de l’université de Harvard : « Pour les astronomes, c’est un peu comme avoir un album photos contenant les premières images ultrason d’un bébé dans le ventre de sa mère et puis quelques photos de cette même personne à l’adolescence et à l’âge adulte » (Loeb, 2006). Ce que les scientifiques ignorent – et tentent de découvrir – c’est quand et comment sont nées les toutes premières étoiles et galaxies. Loeb poursuit : « À l’heure actuelle, les astronomes sont à la recherche des pages manquantes de l’album photos cosmologique, celles qui montreront comment l’Univers a évolué pendant son enfance et comment il a créé les éléments constitutifs de galaxies telles que notre propre Voie lactée. »

Avant la formation des premières étoiles, l’Univers contenait principalement de l’hydrogène, de l’hélium et la trace de quelques éléments légers (comme décrit dans Rebusco et al., 2007). Or, l’ionisation de l’hydrogène nécessite un excédent d’énergie de 13,6 eV – un niveau d’énergie du type de celui de photons dans l’ultraviolet (UV). Par conséquent, quelque en ait été la cause, la réionisation de l’Univers a dû être accompagnée de la libération d’une quantité importante de rayonnement UV.

Bien que les astronomes butent encore sur la cause de cette libération de rayonnement UV ionisant, ils spéculent qu’il s’agissait soit des toutes premières étoiles très chaudes soit des premiers trous noirs, libérant d’énormes quantités de rayonnement UV à mesure que la matière tombait en leur sein. Si tel est le cas, la formation des étoiles a dû précéder l’époque de la réionisation ; ainsi, dater la réionisation c’est déterminer quand au plus tard les premières étoiles ont émergé.

L’empreinte ultraviolette

Image complète et détaillée
de l’Univers nouveau-né
réalisée à partir de données
WMAP récoltées sur cinq ans.
Elle révèle des fluctuations
de température vieilles de
13,7 milliards d’années (en
rouge, les régions les plus
chaudes et en bleu, celles les
plus froides) correspondant
aux graines d’où ont germé
les galaxies

Image reproduite avec
l’aimable autorisation de NASA
/ WMAP Science Team

James Gunn et Bruce Peterson prédisent la possibilité d’utiliser les spectres de quasars pour dater les dernières étapes de l’époque de la réionisation. Les quasars sont des galaxies très éloignées et très anciennes, extrêmement brillantes, dont on pense que l’énergie résulte de la matière tombant dans de gigantesques trous noirs en leurs centres. Si un quasar est tellement éloigné que la lumière émise par lui et observée s’est échappée pendant les « âges sombres », sa lumière UV aura été absorbée par l’hydrogène neutre présent à l’époque ; par contre, si un quasar est plus proche et que la lumière observée n’a été émise qu’après la réionisation, le parcours de celle-ci n’aura pas été entravé par de l’hydrogène neutre alors inexistant (voir le schéma ci-dessous). (Il est à noter que si les atomes d’hydrogène neutre absorbent toutes les longueurs d’onde lumineuse, la plupart d’entre elles sont ensuite libérées. La lumière UV, cependant, ionise les atomes et est complètement absorbée.)

Si ne serait-ce qu’une petite portion du médium intergalactique (aussi petite qu’une part par million) était neutre lorsque le quasar a libéré la lumière que nous voyons à présent depuis la Terre, cela aura laissé une empreinte identifiable sur le spectre – une suppression de la lumière dans la gamme des UV appelée l’effet Gunn-Peterson.

Ainsi, James Gunn et Bruce Peterson prédisent que les quasars se trouvant à une certaine distance de la Terre et au-delà, et pour qui nous observons une lumière libérée avant la fin de la réionisation, présenteront un « creux » dans leurs spectres contrairement aux quasars se trouvant plus près de nous et dont la lumière observée depuis la Terre n’aura été libérée qu’après la fin de la réionisation.

C’est en 2001 qu’une équipe de scientifiques menée par Robert Becker de l’université de Californie aux États-Unis, confirme la prédiction de Gunn et Peterson : ils détectent un net creux dans le spectre d’un quasar très éloigné découvert lors du Sloan Digital Sky Surveyw3, un gigantesque programme de relevé astronomique dans lequel les spectres d’environ une centaine de milliers de quasars ont été passé en revue. Le creux se trouve dans la partie infrarouge du spectre parce que le quasar est vraiment très éloigné : sa lumière a commencé son voyage vers la Terre environ 900 millions d’années seulement après le Big Bang, mettant donc près de 13 000 millions d’années à nous atteindre, un temps durant lequel sa lumière UV d’origine s’est vue étirée (décalage vers le rouge) jusqu’à l’infrarouge à cause de l’expansion de l’Univers. Les quasars plus proches de la Terre ne présentent pas un tel creux. C’est l’indication que les derniers îlots d’hydrogène neutre dans l’Univers ont été ionisés environ 900 millions d’années après le Big Bang.

L’empreinte micro-onde

Effet de la réionisation sur
les spectres de quasars.
Cliquer sur l’image pour
l’agrandir

Image reproduite avec
l’aimable autorisation de SG
Djorgovski and Digital Media
Center, Caltech

Le fond diffus cosmologique libéré peu après le Big Bang est lui aussi une source d’informations sur l’époque de la réionisation.

Alors que l’Univers commençait à être réionisé, les électrons libérés ont influencé la polarité de la lumière. Un électron libre peut interagir avec un photon selon un processus appelé la diffusion Thomson : l’électron est accéléré et la lumière incidente est polarisée dans la direction du mouvement de la particule. C’est pendant et juste après la réionisation que l’intensité de l’effet a été maximale ; plus tard, et parce que l’expansion de l’Univers continuait, la densité d’électrons libres a chuté, réduisant leur effet polarisant.

Entre 2001 et 2006, le satellite WMAPw1 a été utilisé pour l’étude du degré de polarisation des photons du fond diffus cosmologique. En étudiant diverses fréquences de lumière, les astronomes ont pu scruter différentes périodes de l’histoire de l’Univers, le degré de polarité donnant une indication de la densité d’électrons libres présents à l’époque (plus grande est la polarité, plus élevée est la densité d’électrons libres). Ils en ont conclu que la réionisation avait débuté environ 400 millions d’années après le Big Bang, s’achevant 400 à 500 millions d’années plus tard. Ceci est en accord avec les découvertes des études de quasars : 900 millions d’années après le Big Bang.

Recherche à venir

Le 14 mai 2009, l’Agence Spatiale Européennew4 a lancé le satellite Planckw5 dans le but d’obtenir une image du fond diffus cosmologique avec une sensibilité et une résolution angulaire supérieures à celles obtenues par WMAP. Ceci aidera sans nul doute les astronomes à expliquer plus en détail comment l’Univers a évolué d’une soupe scintillante à ce que nous voyons aujourd’hui.

Bien que l’on ait réussi à identifier le moment lors duquel la réionisation a eu lieu, nous n’avons pas encore de photo de l’Univers à cet instant, les télescopes actuels ne pouvant l’obtenir. La bonne nouvelle, cependant, est que l’ESO (Observatoire Européen Austral), avec l’aide d’astronomes et d’ingénieurs de toute l’Europe, est désormais engagé dans la conception du Télescope Géant Européen (E-ELT)w6, de 42 m de diamètre qui nous permettra de voir aussi loin dans le temps et peut-être même d’observer la première lumière d’étoile.

Download

Download this article as a PDF

References

Web References

  • w1 – Pour plus d’informations sur le satellite WMAP, voir : http://map.gsfc.nasa.gov
  • w2 – Un résumé des travaux réalisés avec COBE par John Mather et George Smoot sur le fond diffus cosmologique, ainsi que des liens vers de plus amples informations, sont donnés dans le communiqué de presse en anglais annonçant leur Prix Nobel : http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2006/press.html
  • w3 – Le Sloan Digital Sky Survey est le relevé astronomique le plus ambitieux jamais réalisé. Une fois achevé, il offrira des images optiques détaillées de plus d’un quart du ciel, ainsi qu’une carte tridimensionnelle d’environ un million de galaxies et quasars. Au fur et à mesure de sa progression, les nouvelles données sont révélées annuellement à la communauté scientifique et au grand public. Voir (site en anglais): www.sdss.org
  • w4 – Pour plus d’informations sur l’Agence Spatiale Européenne, voir (site en anglais) : www.esa.int
  • w5 – Pour en savoir plus sur le satellite Planck, voir (site en anglais) : www.esa.int/esaSC/120398_index_0_m.html
  • w6 – Pour plus d’informations sur le Télescope Géant Européen (E-ELT) de l’ESO, voir : www.eso.org/public/astronomy/teles-instr/e-elt.html

Resources

  • La section WMAP du site web de la NASA offre quelques ressources à l’intention des enseignants ; elles incluent un bref résumé du projet WMAP et un modèle gonflable de l’Univers. Voir (site en anglais) : http://map.gsfc.nasa.gov/resources/edresources1.html
  • Pour obtenir la liste complète des articles de Science in School relatifs à la fusion et à l’évolution de l’Univers, voir : www.scienceinschool.org/fusion
  • Si vous avez aimé cet article, vous serez peut-être intéressé(e) par les autres sujets scientifiques précédemment publiés dans Science in School. Voir : www.scienceinschool.org/sciencetopics
  • Vous aimerez aussi peut-être les articles suivants :
  • Larson RB, Bromm V (2001)The first stars in the Universe. Scientific American Dec: 64-71. Il est possible de télécharger cet article en anglais à l’adresse suivante : www.astro.yale.edu/larson/papers/SciAm01.pdf
  • Madau P (2006) Astronomy: trouble at first light. Nature 440: 1002-1003. doi:10.1038/4401002a. Téléchargez gratuitement l’article en anglais ici, ou souscrivez aujourd’hui à Nature : www.nature.com/subscribe
  • Scannapieco E, Petitjean P, Broadhurst T (2002) The emptiest places. Scientific American Oct: 56-63.  Il est possible de télécharger cet article en anglais à l’adresse suivante : http://scannapieco.asu.edu/papers/sciam.pdf

Institution

ESO

Author(s)

Astronome et journaliste, Henri Boffin possède une vaste expérience en recherche au niveau international. En tant que responsable de l’information pour le très grand télescope (VLT) et le Télescope Géant Européen de l’ESO, il se consacre aussi bien à la recherche qu’à la communication scientifique. Il est l’auteur de nombreux articles appréciés de Science in School.

Ana Lopes est rédactrice adjointe chez Nature, la revue scientifique hebdomadaire internationale. Elle possède un diplôme de physique de la Technical University de Lisbonne, au Portugal, et un doctorat en astrophysique de l’université d’Oxford au Royaume-Uni. Ana a été stagiaire en journalisme scientifique à l’ESO.


Review

Cet article présente des informations intéressantes et détaillées à propos des recherches effectuées actuellement sur l’histoire de l’Univers et son évolution. Il est adapté à un enseignement interdisciplinaire, pouvant être utilisé, par exemple, en physique, en astronomie, en astrophysique ou encore en philosophie. En plus d’offrir une lecture pertinente, il pourrait être utilisé par les enseignants pour l’élaboration de documents pédagogiques.


Vangelis Koltsakis, Grèce




License

CC-BY-NC-ND