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On a mesuré la température de l'univers il y a 11 milliards d'années

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C'est une éclatante démonstration pour la théorie du Big Bang. Il y a onze milliards d'années, la température de l'univers était bien celle que l'on avait prédite. Pour la mesurer à cette époque reculée, des astronomes ont transformé le VLT (Very Large Telescope) en thermomètre. Son spectrographe UVES a permis d'observer pour la première fois les raies d'absorption de molécules d'hydrogène et de monoxyde de carbone, présentes dans une galaxie lointaine, interposée entre un quasar et nous.

Le VLT, l'observatoire de l'Eso sur le mont Paranal au Chili. © Eso

La spectrographie permet de déterminer la composition chimique d'un gaz peu dense à partir de ses raies d'émission ou d'absorption, c'est l'outil fondamental des astronomes lorsqu'ils cherchent à étudier les étoiles. Ces raies ne nous renseignent pas seulement sur la composition chimique des atmosphères des étoiles, elles fournissent aussi des indications sur leurs vitesses de rotation, la présence de champ magnétique et les températures qui y règnent.

On aurait tort de croire que la spectroscopie se limite aux atomes. Elle permet aussi d'identifier des molécules et des noyaux. Elle ne s'applique pas non plus qu'aux atmosphères des étoiles, les nuages de gaz atomique et moléculaire peuvent aussi être sondés grâce à cette technique magique.

Depuis des dizaines d'années, les astronomes utilisent la lumière des quasars lointains pour déterminer la composition chimique et la distance de vastes nuages moléculaires situés eux aussi aux confins de l'Univers. En effet, sur la portion continue de leur spectre existe aussi une série touffue de raies d'absorption. Il s'agit des raies caractéristiques de l'hydrogène atomique initialement dans le domaine ultraviolet mais décalées vers le rouge.

L'explication est assez simple. Entre un quasar et nous, s'interposent plusieurs nuages situés à des distances différentes. Les raies d'absorption en UV de l'hydrogène, la fameuse série Lyman alpha, apparaîtront donc avec un décalage vers le rouge d'autant plus important que le nuage interceptant la lumière des quasars était situé loin.

Ce phénomène se produit aussi pour des raies appartenant à des molécules mais il est plus difficile à observer. C'est cet exploit que l'équipe d'astronomes menée par Raghunathan Srianand vient de réaliser.

Un spectre d'un atome connu sur Terre (D) et présent dans des nuages de plus en plus lointain donnera lieu à la formation de raies d'absorption de plus en plus décalées vers le rouge (A, B, C) dans le spectre d'un quasar (A, gauche). © Eso

Avec Patrick Petitjean, qui s'est déjà rendu célèbre pour des mesures de ce genre concernant une hypothétique variation des masses des particules, les chercheurs ont réussi à observer les bandes moléculaires produites par les raies d'absorption très rapprochées correspondant aux transitions associées à la rotation des molécules H2 (l'hydrogène), HD (une molécule d'hydrogène dont un des atomes est le deutérium, D, l'un de ses isotopes) et CO (le monoxyde de carbone). De même que les orbites possibles des électrons conduisent à des niveaux d'énergie dans les atomes, responsables des raies d'émission et d'absorption de la lumière, les mouvement des atomes dans une molécule conduisent eux aussi à des raies. Celles qui ont été mises en évidence appartiennent à des molécules présentes dans l'espace interstellaire d'une galaxie située à 11 milliards d'années-lumière. La théorie et les observations montrent que ces molécules se comportent de la même manière que dans notre propre Voie Lactée... à un détail près qui se révèle capital.

Les différentes raies d'absorption du monoxyde de carbone dans une galaxie lointaine. © Eso

La molécule de monoxyde de carbone se comporte comme si ses transitions moléculaires de rotation étaient influencées par un rayonnement à une température de 9,15 K environ. Or, il se trouve que c'est très précisément la température du rayonnement fossile il y a 11 milliards d'années d'après la théorie du Big Bang ! A cette époque en effet, l'expansion avait encore peu refroidi l'Univers, et sa température était supérieure à la valeur observée aujourd'hui (2,725 K).

La molécule de CO se comporte donc comme un excellent thermomètre. D'après les chercheurs, la température mesurée ne peut pas être attribuée à celle d'un nuage de gaz d'hydrogène dans laquelle baignerait cette molécule. Il s'agit bien de l'influence du rayonnement de fond diffus dont la température à cette époque est ainsi mesurée à 0,7 K près.

C'est une remarquable confirmation de la théorie du Big Bang ainsi qu'une fenêtre ouverte sur la chimie du milieu interstellaire des galaxies dans le passé lointain de l'Univers. Cette nouvelle source d'informations est d'une grande importance pour comprendre comme les étoiles se forment et comment les galaxies évoluent.