De gauche à droite depuis le Big Bang jusqu'à la fin de la réionisation, on voit les premières étoiles (first stars) créant des bulles d'hydrogène ionisé dont le front grandit dans l'hydrogène intergalactique neutre de l'époque. © Nasa/CXC/M. Weiss

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Rayonnement fossile : la réionisation de l'univers a été rapide

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Selon de nouvelles mesures de la polarisation du rayonnement fossile faite avec les instruments du South Pole Telescope en Antarctique, il faut revoir les dates de la réionisation de l'univers observable. Elle aurait débuté environ 250 millions d'années après le Big Bang pour se terminer il y a 13,2 milliards d'années. Cela impliquerait que des galaxies massives sont apparues plus vite que ce que l'on pensait.

Même si l'on ignore encore la nature exacte de l'énergie noire et de la matière noire, les mesures indiquant leur présence à l'aide de différents phénomènes astrophysiques et cosmologiques sont tellement cohérentes et conduisant à une telle concordance des estimations des valeurs des densités de ces composantes sombres de l'univers observable qu'il n'est guère raisonnable de douter de la théorie du Big Bang

L'un des outils les plus puissants utilisés pour remonter le temps et déterminer la forme, le contenu et l'histoire du cosmos est sans aucun doute l'étude du rayonnement fossile. Si l'on attend beaucoup des analyses des données du satellite Planck concernant cette lumière la plus ancienne de l'univers, il existe aussi sur Terre d'autres instruments qui peuvent être bavards sur les différentes étapes de l'histoire du cosmos. Ainsi, le South Pole Telescope est-il capable de mesurer la polarisation du rayonnement fossile sur une petite portion de la voûte céleste. Les différentes types de polarisation de ce rayonnement ont le potentiel de nous dire si l'Univers a vraiment subi une phase d'expansion inflationnaire ou quand exactement, et en combien de temps, se sont formées les premières étoiles et les premières galaxies les contenant.


Une vidéo extraite du site Du Big Bang au Vivant avec des commentaires de Jean-Pierre Luminet et Hubert Reeves. © Groupe ECP, www.dubigbangauvivant.com/Youtube

La durée de la réionisation à 50 millions d'années près

Cette période charnière de l'histoire du cosmos correspond à ce que l'on appelle la réionisation. En effet, environ 380.000 ans après le Big Bang, lorsque les photons du rayonnement fossile ont commencé à se propager librement dans l'espace, la matière baryonique de l'Univers était principalement constituée d'atomes d'hydrogène et d'hélium neutres.

Mais quelques centaines de millions d'années plus tard, le rayonnement issu de la première génération d'étoiles en formation et aussi probablement les premiers quasars ont commencé à réioniser partiellement la matière du cosmos observable. Des sortes de bulles d'hydrogène ionisé s'étendant sur quelques millions d'années-lumière autour des premières galaxies se seraient donc formées, laissant leur empreinte dans les anisotropies des fluctuations de température et de polarisation du rayonnement fossile primitif.

On voit sur ce schéma les 2 % de la voûte céleste qui ont été observés afin de mesurer la polarisation du rayonnement fossile. La résolution atteinte est supérieure à celle de WMap 7 et elle permet de préciser la durée de la réionisation du cosmos observable. © South Pole Telescope Collaboration

On a bien évidemment chercher à déterminer quand a débuté cette réionisation et quand elle a atteint une valeur stationnaire car on peut de cette manière dater la formation des premières étoiles, des premières galaxies et poser des contraintes sur les modèles cosmogoniques décrivant ces événements à l'aide du rayonnement fossile. Toutefois, des mesures précises étant difficiles, des incertitudes existent quant aux valeurs de ces dates. Généralement, on pensait que la fin de la réionisation s'était produite il y a 12,9 milliards d'années.

Selon une publication sur arxiv de chercheurs du Berkeley Center for Cosmological Physics (BCCP) de la célèbre université de Berkeley en Californie, la réionisation se serait en fait terminée plus tôt, seulement 500 millions d'années après le Big Bang. Enfin, elle aurait débuté 250 millions d'années après la « naissance » de l'univers observable. La détermination fiable de cette dernière date serait une grande première selon les chercheurs.

Pour arriver à ce résultat, les cosmologistes se sont servi du fait que,  dans les conditions très favorables du pôle Sud, les instruments du South Pole Telescope permettent de faire des images à haute résolution du rayonnement fossile et de mesurer finement sa polarisation en observant une région occupant environ 2 % de la voûte céleste. Les mesures ont été effectuées suivant 3 bandes de fréquences et elles ont été jointes pour analyses à celles déjà obtenues avec WMap 7. Un tiers seulement des données enregistrées avec le South Pole Telescope ont été utilisées, ce qui veut dire que l'on ne devrait pas tarder à en savoir plus sur la réionisation.

Les chercheurs pensent ainsi qu'ils devraient pouvoir atteindre une précision de seulement 50 millions d'années pour la durée de la réionisation. Une fois les instruments du South Pole Telescope améliorés d'ici 5 ans, une précision encore meilleure devrait être obtenue. En attendant, la rapidité de la réionisation semble indiquer que des galaxies massives avec des milliards d'étoiles sont apparues très tôt et très vite dans l'histoire du cosmos observable et que ces géantes ont joué un rôle non négligeable dans ce processus.

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