Le satellite Planck, mission à laquelle a participé Hervé Dole, devant le fond diffus cosmologique, émis 370.000 ans environ après le Big Bang. © Nasa, ESA

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Comment l’univers est devenu transparent ?

Question/RéponseClassé sous :cosmologie , énergie noire , fond diffus cosmologique
 

Après le Big Bang, l'univers était opaque durant environ 370.000 ans, sans étoile ni aucune grande structure galactique. Les noyaux atomiques ne parvenaient pas à se combiner avec les électrons, aucun photon ne s'en échapper. Comment la situation a-t-elle changé ? Éclaircissements avec l'astrophysicien Hervé Dole, dans cet extrait de son dernier livre, Le côté obscur de l’univers, publié aux éditions Dunod.

Professeur en astrophysique à l'université Paris-Sud (Orsay), Hervé Dole nous invite à explorer « le côté obscur de l’univers » dans son dernier livre éponyme publié aux éditions Dunod. Voici un extrait qui nous invite à découvrir comment notre univers est passé d'opaque, dans sa prime jeunesse, à la transparence.

« Pendant longtemps, l'univers a été un plasma de matière électriquement chargée et de photons. Puis est venue la recombinaison : environ 370.000 ans après le Big Bang, dans une température ambiante de l'ordre de 3.000 K, les électrons se sont liés aux noyaux atomiques pour former des atomes.

Les oscillations acoustiques du plasma dans l’univers primitif

Jusqu'à l'époque de la recombinaison, la matière et le rayonnement sont couplés, en équilibre l'un avec l'autre : la gravité tend à condenser la matière, mais le rayonnement lié à cette matière s'y oppose, en exerçant une forte "pression de radiation". Le plasma oscille donc faiblement — telle la surface d'un tambour vibrant — au gré de ces forces contraires, selon des modes de vibration dépendant des propriétés de l'univers d'alors. Ces oscillations (dites "acoustiques") de matière ionisée et de photons peuvent donc fournir des informations sur les phases les plus anciennes.

Un constat fascinant : les équations des vibrations sont quasiment les mêmes pour une étoile (observable chaque nuit) et l'univers dans une phase très précoce... Ce type d'équation — un "oscillateur harmonique" — est d'ailleurs assez simple mathématiquement (équation différentielle du second ordre à coefficients constants) et les étudiants l'utilisent dès leurs premières années universitaires.

Découvrez le livre Le côté obscur de l’univers, paru aux éditions Dunod. © Dunod

Lors de la recombinaison, la matière devient électriquement neutre. Au fur et à mesure que de la matière chargée disparaît, le rayonnement se découple d'elle. Il se propage ensuite librement et forme le fameux fond cosmologique. La pression de radiation et les oscillations acoustiques cessent d'exister, faute de combat entre gravité et rayonnement. Mais les effets des oscillations sont toujours observables aujourd'hui, dans les fluctuations de température du fond cosmologique et la distribution à grande échelle des galaxies.

Après la recombinaison, la réionisation

Un autre phénomène intéressant se produit quelques centaines de millions d'années après le Big Bang, dans un univers bien plus froid que lors de la recombinaison (quelques dizaines de degrés Kelvin, contre 3.000 degrés Kelvin initialement). Les premières étoiles s’allument alors dans un univers transparent, mais surtout composé d'hydrogène neutre. Leur rayonnement provoque l'ionisation des atomes avoisinants : il sépare à nouveau les électrons des protons. Ces bulles ionisées s'étendent à partir de chaque étoile, jusqu'à finalement percoler et remplir l'univers (nous verrons que ces électrons libres sont toujours détectables). L'époque en question est appelée la réionisation. »

Découvrez la suite et bien d'autres questions abordées par Hervé Dole — Comment les galaxies se sont-elles formées  ? Où se cache la matière noire ? Quelle est la nature de l'énergie sombre ?, sur les missions Planck et Euclid, la recherche scientifique, etc. — dans le livre Le côté obscur de l’univers, aux éditions Dunod.

Interview : pourquoi l'univers est-il en expansion ?  Avec la découverte de l'expansion de l’univers sont nées d’autres questions : à quelle vitesse cette expansion se produit-elle ? y a-t-il accélération ? ou bien ralentissement ? Futura-Sciences a interrogé Aurélien Barrau, astrophysicien spécialisé en cosmologie et auteur du livre Des univers multiples.