La Nasa va déposer bientôt un radiotélescope sur la Lune pour étudier les âges sombres

Environ 380 000 ans après le Big BangBig Bang, les atomes neutres n'existent pas encore et pas même de noyaux au-delà de ceux des isotopes de l'hydrogène, de l'hélium et du lithium. La température de la matièrematière ordinaire est comparable à celle de la surface du SoleilSoleil et son état aussi, le quatrième de la matière, du plasma. Mais en quelques milliers d'années, du fait de l'expansion de l'UniversUnivers observable, les noyaux capturent des électronsélectrons et le plasma disparaît pour laisser la place à un gazgaz chaud de matière neutre. La plus vieille lumièrelumière du cosmoscosmos, le rayonnement fossilerayonnement fossile, est alors libre de voyager.

On estime que pendant les 150 premiers millions d'années environ qui vont succéder à cette émissionémission, la matière s'effondre gravitationnellement mais ne forme pas encore vraiment d'étoilesétoiles de sorte que tout en se refroidissant avec son rayonnement, l'Univers devient sombre pour nos yeuxyeux - s'ils existaient à cette époque. Ce n'est qu'après ces « âges sombresâges sombres » que les premières étoiles vont commencer à naître, briller et à se rassembler pour donner des galaxiesgalaxies. Les rayonnements produits à partir de ce moment-là vont réioniser la matière du cosmos. Les estimations varient cependant en ce qui concerne le début et la duréedurée de cette réionisationréionisation mais, en général, on dit qu'elle s'est produite de quelques centaines de millions d'années après le Big Bang jusqu'à il y a 13 milliards d'années dans notre passé environ.

Mais, pendant les quelques centaines de millions d'années tout au plus qu'ont duré les âges sombres, bien des choses ont dû se produire que nous aimerions connaître. Ainsi, même si l'énergie noire ne dominait pas encore l'accélération de l'expansion de l'Universaccélération de l'expansion de l'Univers, il est possible qu'elle ne se comportait pas alors comme une simple constante cosmologiqueconstante cosmologique, ou plutôt que ses éventuelles variations dans le temps aient encore été suffisamment fortes pour être facilement détectées. Si tel était le cas, ces variations pourraient être bavardes sur de la physiquephysique au-delà du modèle standardmodèle standard, comme de la supergravité ou la théorie des cordesthéorie des cordes.

Mais comment étudier une période où les étoiles n'existent pas vraiment encore ?

Le décalage spectral vers le rouge d'un objet cosmologique est donné par une quantité notée Z, le redshift. Sa valeur est donnée par une fonction dépendant de l'âge, et donc de la distance, de l'objet par rapport à la Voie lactée. Plus ce décalage est élevé, plus la distance nous séparant de l'objet observé, en général une galaxie, est important. Le schéma ci-dessus retrace l'histoire de l'Univers observable avec le décalage spectral en échelle logarithmique en abscisse. Avant la recombinaison cosmique, 380 000 ans après le Big Bang, l'Univers observable est un plasma chaud. Pendant les âges sombres, la matière est devenue neutre sous forme d'atomes et la naissance des étoiles et des galaxies débute pour finalement réioniser partiellement le cosmos. © NAOJ

Un fond radio cosmologique diffus à 21 cm

Heureusement, il existe en théorie un autre fond de rayonnement diffusdiffus que celui du rayonnement fossile que l'on a étudié avec le télescopetélescope PlanckPlanck et qui peut nous renseigner sur le comportement des concentrations de matière à cette époque en réponse au contenu en matière et énergie noireénergie noire à ce moment-là. En effet, les atomes d'hydrogène devaient déjà émettre la fameuse raie à 21 cm que l'on a utilisée pour cartographier les nuagesnuages d'hydrogène et finalement la structure de notre Galaxie, révélant ses bras spiraux et sa barre.

Le problème est que ce fond diffus radio a été décalé vers de plus grandes longueurs d'ondelongueurs d'onde par l'expansion de l'espace depuis la fin des âges sombres, et il se trouve maintenant dans une bande peu accessible à des radiotélescopesradiotélescopes sur Terre en raison de l'existence de l'ionosphèreionosphère de notre Planète bleue.

Mais les astrophysiciensastrophysiciens sont tenaces et astucieux. Ils n'ont pas tardé à comprendre que tout comme le télescope James-Webb n’a plus de problème avec l’atmosphère de la Terre en étant dans l’espace pour étudier le rayonnement désormais dans l’infrarouge mais produit pendant la réionisation, un radiotélescope dans le vide lunaire ne serait plus piégé par une ionosphère.

En bonus, s'il était situé sur la face cachée de la LuneLune, il serait affranchi des contaminationscontaminations dues aux télécommunications terrestres et selon certaines périodes de l'orbiteorbite de la Lune autour de la Terre combinée à l'orbite de la Terre autour du Soleil, il serait également affranchi du bruit de fond de l'activité de notre Étoile et de celui des émissions radio de JupiterJupiter et SaturneSaturne.

Le concept est ancien et les ingénieurs jouent avec, au moins depuis l'ère ApolloApollo. L'un de ces derniers avatarsavatars étudiés est le LCRT (Lunar Crater Radio Telescope) qui serait donc construit à l'intérieur d'un cratère situé sur la face cachée de la Lune. Il prendrait la forme d'une antenne parabolique d'un kilomètre de diamètre construite à l'intérieur d'un cratère de trois à cinq kilomètres.

LuSEE-Night, l'éclaireur des âges sombres

Clairement, ce n'est pas pour demain, mais la NasaNasa prend suffisamment l'idée au sérieux pour développer une petite antenne qui fera partie d'une mission à destination de la face cachée de la Lune dans quelques années seulement. Si tout va bien, elle constituera une preuve de concept en étant le premier radiotélescope déposé sur la Lune et en commençant à étudier la lumière fossile des âges sombres.

La mission envisagée par la Nasa et le Department of Energy (DOE) états-unien s'appelle Lunar Surface Electromagnetics Experiment – Night (LuSEE-Night) et elle fera intervenir un atterrisseur qui devrait se poser au niveau de l'antiméridien lunaire sur la face cachée de la Lune, à l'horizon 2025.

« LuSEE-Night est une expérience fascinante qui nous rapprochera de l'observation de quelque chose que nous n'avons jamais pu observer auparavant : le signal des âges sombres. Avec cette collaboration, le DOE et la Nasa créent les conditions d'une exploration réussie de la cosmologiecosmologie de l'âge des ténèbres dans les décennies à venir », explique dans un communiqué Asmeret Asefaw Berhe, directeur du bureau des sciences du DOE.

« LuSEE-Night fonctionnera pendant les températures basses de la nuit lunaire de 14 jours, lorsque aucune lumière solaire n'est disponible pour générer de l'électricité ou de la chaleurchaleur. En plus du retour scientifique potentiel important, la démonstration de la technologie de survie nocturnenocturne lunaire LuSEE-Night est essentielle pour effectuer des recherches scientifiques à long terme et hautement prioritaires à partir de la surface lunaire », ajoute dans le même communiqué du DOE Joel Kearns, administrateur associé adjoint pour l'exploration à la direction des missions scientifiques de la Nasa.

En ce qui concerne l'étude du fond cosmique à 21 cm, le chercheur principal de la mission, coauteur d'un article sur arXiv à son sujet, Stuart D. Bale précise : « Cette mesure est très difficile, l'émission radio de la galaxie est très brillante et notre signal des âges sombres se cache derrière elle. Mais nous allons ouvrir une nouvelle fenêtrefenêtre, une nouvelle bande de fréquencefréquence pour la cosmologie, nous allons ouvrir la voie à de nouvelles découvertes sur l'histoire de l'Univers et notre place en son sein. ».