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L' Univers en expansion depuis le Big Bang et l'apparition des premières étoiles 180 millions d'années après le Big Bang

Les signaux des toutes premières étoiles de l'Univers enfin détectés !

11 min
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Une équipe d’astronomes de l’Université d’Arizona annonce cette semaine dans un article paru dans la revue Nature avoir enfin détecté les signaux liés à la formation des toutes premières étoiles de l’Univers. Et peut même dater leur naissance : 180 millions d'année après le Big Bang.

L' Univers en expansion depuis le Big Bang et l'apparition des premières étoiles 180 millions d'années après le Big Bang
L' Univers en expansion depuis le Big Bang et l'apparition des premières étoiles 180 millions d'années après le Big Bang Crédits : N.R. FULLER / NATURE PUBLISHING GROUP / AFP - AFP

C'est une découverte qui doit être confirmée, mais qui s'annonce d'ores et déjà déterminante pour notre compréhension de l'Univers. Les astronomes tentent en effet depuis plusieurs décennies de capter des signaux liés à la naissance de premières étoiles. Une tâche très difficile car elles sont apparues pendant ce qu'on appelle "l'âge sombre de l'Univers". 

La premier signal perçu de "l'âge sombre" de l'Univers

Le fonds diffus cosmologique, première empreinte fossile du tout jeune Univers
Le fonds diffus cosmologique, première empreinte fossile du tout jeune Univers Crédits : A7N8X

En effet, depuis 1965, on connait bien "la première lumière de l’Univers", c'est-à-dire le fond diffus cosmologique, rayonnement fossile de l'Univers, qui remonte à 380 000 ans seulement après le Big Bang, et dont le rayonnement est encore perceptible. Mais l’univers s’est ensuite très vite drastiquement refroidi et dilaté. Les étoiles dont la lumière nous parvient et que nous pouvons observer aujourd'hui n'arrivent que bien plus tard dans l'Histoire de l'Univers et sont, à l'échelle de cette histoire, très jeunes. Entre l'apparition du fond diffus cosmologique et celle des étoiles que nous pouvons observer, c’est donc cet âge sombre, jusqu'ici impossible à observer, puisque l'Univers n'était alors composé que de gaz très froid, essentiellement de l‘hydrogène neutre. Or, c'est dans ce contexte que se forment les premières étoiles, mais leur lumière est bien trop ancienne pour qu’on puisse l’observer. Il faut donc en passer par les signaux radio pour tenter de comprendre et d'observer leur processus de formation. 

Un radiotélescope désigné sur mesure pour capter les ondes radio liées aux premières étoiles 

Le petit radiotelescope EDGES, installé  en plein desert australien, qui a capté les signaux des premières étoiles
Le petit radiotelescope EDGES, installé en plein desert australien, qui a capté les signaux des premières étoiles Crédits : Credit: Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation

Pour la première fois, une équipe de cinq astronomes utilisant un tout  petit radiotélescope a réussi à trouver cette trace, et même dater approximativement la naissance des premières étoiles, et en rendent compte dans un article publié cette semaine dans la revue Nature. Raul Monsalve, cosmologue expérimental à l’Université d’Arizona et co-auteur de cette étude explique comment : 

Lorsqu'elles sont apparues, les premières étoiles émettaient des rayons ultraviolets, et ces rayons UV ont impacté l’hydrogène neutre présent dans le jeune Univers. En effet, l’hydrogène neutre a la particularité d’être « excité » par la lumière et de renvoyer en retour, lorsqu’il en reçoit, des ondes radios. On connaît bien la signature spectrale de ces ondes radios : 1,4 Gigahertz. Donc, on pourrait se dire qu’il nous fallait un radiotélescope sensible à cette fréquence. Mais en fait non. Pourquoi ? Parce que depuis ses débuts, l’Univers est en expansion, et à cause de cette expansion, les ondes radios se sont étirées : quand elles arrivent sur Terre, elles sont plus longues, et leur fréquence est donc plus basse. Oui mais à quel point ? Les modèles théoriques nous prédisaient que ces ondes pouvaient être mesurées à une fréquence proche de 100 mégahertz. 

Cette équipe américaine a donc mis au point son propre radiotélescope, pour qu’il soit sensible aux fréquences proches des 100 mégahertz, assemblé au MIT,  qu'elle a baptisé  EDGES, et qu’elle a ensuite installé à Murchison, en plein désert dans l’Ouest de l’Australie, l’un des endroits du monde où il y a le moins d’interférences radio. Raul Monsalve poursuit: 

Nous avons capté un large éventail de fréquences, pendant plusieurs années, et enfin, début 2016, nous avons commencé à détecter un signal centré autour de 78 mégahertz, donc un chiffre assez proche des estimations des théoriciens. Et cette fréquence nous indique que le processus de formation des premières étoiles a probablement commencé 180 millions d’années après le Big Bang. 

Un signal plus important que prévu, et donc un Univers plus froid qu'on ne le pensait... 

Pour la communauté scientifique, il convient bien sûr de confirmer ces résultats, grâce à d'autres observations, faites sur d'autres radiotélescopes (plusieurs super-radiotélescopes doivent être mis en service dans les années qui viennent), mais cette annonce suscite globalement beaucoup d’enthousiasme. Brian Schmidt, prix Nobel de physique 2011, parle d’une "découverte révolutionnaire", la plus importante depuis la découverte en 2015 des ondes gravitationnelles. Notamment, parce qu’en plus de donner un âge à ces premières étoiles, l’article de ces astronomes de l’Arizona nous apprend que le signal radio émis par l’hydrogène neutre pendant la formation des premières étoiles était beaucoup plus puissant que prévu, ce qui laisse penser que cet hydrogène neutre était à ce moment-là plus froid qu’on ne le pensait (plus il est froid, plus sa réaction est importante). Pourquoi? C’est la question à laquelle tente de répondre un deuxième article paru dans ce même numéro de Nature. Une équipe israélienne émet l’hypothèse que l’hydrogène neutre présent dans cet Univers très jeune aurait interagi avec la mystérieuse matière noire de l'Univers, qui lui aurait en retour transféré son énergie et sa chaleur. J’ai demandé son regard sur ces deux articles à Jean-Marc Bonnet Bidaud, astrophysicien au CEA et spécialiste de l‘histoire de l’Univers. Pour lui, si le premier signal détecté et l'article qui en rend compte sont fiables et doivent être pris en compte, l'hypothèse de ce deuxième article qui met en jeu la matière noire, dont on ne sait toujours rien, doit être lue avec beaucoup de prudence.  

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