Antennes de l'observatoire NOEMA (MPG/Allemagne, CNRS/France, IGN/Espagne) le radiotélescope le plus puissant de l'hémisphère nord. L'observatoire opère à plus de 2.500 mètres d'altitude sur l'un des sites européens de haute altitude les plus étendus, le plateau de Bure dans les Alpes françaises. Le télescope est exploité par l'Institut de Radioastronomie Millimétrique (Iram) et est financé par la Société Max-Planck (Allemagne), le Centre National de Recherche Scientifique (France) et l'Instituto Geografico Nacional (Espagne). © IRAM-gre , CC by-sa 4.0
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On a mesuré la température de l'Univers 880 millions d'années après le Big Bang

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[EN VIDÉO] Les secrets de la mission Planck  Le satellite Planck constitue une formidable machine à remonter dans le temps, capable de nous livrer plusieurs secrets sur l'origine, la structure et la composition de l'univers. Les cosmologistes et les astrophysiciens l'ont utilisé pour cartographier sur la voûte céleste, avec une précision inégalée, les fluctuations de température et de polarisation de la plus vieille lumière du monde, celle du rayonnement fossile. Cette vidéo réalisée par le consortium HFI-Planck, l'agence de communication Canopée et avec l'aide de Jean Mouette, de l'IAP (Institut d'astrophysique de Paris), nous explique en quoi consiste cette mission. 

Le télescope James-Webb va nous permettre de mieux comprendre ce qui s'est passé dans le cosmos observable pendant la période dite des âges sombres, moins d'un milliard d'années après le Big Bang. Nous avons tout de même déjà des moyens d'observation de l'état de l'Univers pendant cette période et aujourd'hui, on arrive même à tester nos idées sur le Big Bang en mesurant la température du rayonnement fossile à la fin des âges sombres.

La découverte du rayonnement fossile en 1965 a non seulement mis rapidement fin au paradigme alors dominant de la cosmologie stationnaire de Hoyle, Bondi et Gold, elle mit fin également à la théorie du Big Bang « froid ». Le modèle cosmologique standard de l'époque supposait que le cosmos n'avait ni commencement ni fin dans l'espace et dans le temps, bien qu'en expansion. Une création de matière perpétuelle maintenait sa densité constante et permettait la formation de nouvelles étoiles et galaxies.

La théorie du Big Bang froid, encore considérée et développée pendant quelque temps après 1965 par des chercheurs comme David Layzer, l'avait été par des légendes de l'envergure de Yakov Zel'dovich et Andrei Sakharov peu de temps avant la découverte du rayonnement fossile.

Il s'agissait d'une variante de la théorie de l’atome primitif de Lemaître, faisant naître le cosmos à partir de l'équivalent d'un noyau d'atome décrit par le modèle de la goutte liquide ou si l'on préfère d'une sorte d'étoile à neutrons. Le liquide nucléaire initial aurait été tout comme les noyaux ordinaires dans son état quantique fondamental et presque au zéro absolu.

Son entropie devait alors être quasi nulle et cela permettait naturellement de donner une flèche du temps en accord avec les principes de la thermodynamique statistique, avec l'ordre se transformant en désordre, et avec un noyau primitif en quelque sorte radioactif, comme l'avait proposé Lemaître, qui se serait pour cette raison fragmenté en entrant en expansion. La thermodynamique nous dit en effet que l'entropie croît avec le temps pour un système isolé, ce qui serait le cas de l'Univers entier puisqu'il est censé tout contenir. Dans le cadre de la théorie moderne du Big Bang « chaud », on a du mal à expliquer pourquoi le cosmos observable débute avec une entropie déjà élevée, comme l'a souligné à plusieurs reprises le prix Nobel de physique Roger Penrose.

Une des très intéressantes vidéos de vulgarisation de l'astronome Kirill Maslennikov, en poste au célèbre observatoire astronomique de Poulkovo situé au sud de Saint-Pétersbourg. Il y est question des contributions peu connues en général du physicien Andrei Sakharov à la théorie du Big Bang et à son étude à l'aide du rayonnement fossile. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en russe devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Qwerty

Le rayonnement fossile, une preuve du Big Bang chaud

Dès 1965, comme l'explique dans la vidéo ci-dessus, l'astronome russe Kirill Maslennikov, Sakharov avait même eu l'idée, reprise aujourd'hui dans le cadre de la théorie de l'inflation, que des fluctuations quantiques de la densité de ce liquide primordial allaient servir de germe pour l'effondrement gravitationnel de la matière donnant par la suite étoiles et galaxies.

Toutefois, ni la cosmologie stationnaire ni la théorie du Big Bang froid ne prédisaient un rayonnement de fond dans le domaine millimétrique comme le CMB (pour l'anglais cosmic microwave background) découvert par Penzias et Wilson en 1965. Alors que c'était bien le cas dans le modèle du Big Bang développé par Georges Gamow et surtout Ralph Alpher. Les années passant, le caractère de rayonnement de corps noir presque parfait du CMB devient de plus en plus évident, notamment suite aux observations du satellite CoBE.

Or, ce rayonnement implique un état d'équilibre thermodynamique et, surtout, sa perfection n'est pas compatible avec des processus de thermalisation comme celui des poussières autour des jeunes étoiles quand on analyse en détail ces processus dans le cadre d'une cosmologie relativiste tenant compte des caractéristiques observées, comme la quantité de matière baryonique et les abondances des éléments produits par nucléosynthèse. Il faut donc nécessairement faire dériver ce rayonnement d'un état très dense, et surtout très chaud, du cosmos observable primitif permettant l'équilibre thermodynamique et l'émission d'un rayonnement de corps noir aussi parfait.

Plus personne ne considère donc sérieusement ni la théorie de l'Univers stationnaire ni celle du Big Bang froid aujourd'hui, et encore moins depuis les spectaculaires succès de la mission du satellite Planck.

Une présentation de l'observatoire Noema (NOrthern Extended Millimeter Array), un radiotélescope géant formé par un réseau d’antennes de 15 mètres de diamètre. Noema est le radiotélescope le plus puissant du genre dans l’hémisphère nord et il est géré par l'Institut de Radioastronomie Millimétrique (Iram), un institut de recherche international en astronomie. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Iram

Des molécules qui servent de thermomètre cosmique

Il existe de nombreuses preuves et tests de la théorie du Big Bang. On peut citer notamment la variation de la température du rayonnement fossile dans le temps puisque l'expansion du cosmos observable fait baisser la température du gaz de photons en dilatant leurs longueurs d'onde. Cette baisse de température se fait selon une loi bien précise que l'on peut tester en trouvant pour une distance donnée, et donc un décalage spectral et une date dans le passé, un thermomètre pour mesurer à cette époque la température du rayonnement fossile.

Il se trouve que certaines molécules, comme le monoxyde de carbone (CO), ont des niveaux d'énergie et des transitions entre ces niveaux d'énergie qui correspondent à des énergies de photons du rayonnement fossile à une température donnée. Mesurer cette température revient à mesurer pour un décalage spectral vers le rouge donné l'existence de raies d'absorption démontrant que ces molécules ont bien absorbé précisément les photons du rayonnement fossile à sa température.

Comme l'explique sur son célèbre site le cosmologiste Ned Wright, cela fait de nombreuses années que l'on peut faire ce genre de mesures et elles ont fourni des observations en contradiction à des niveaux supérieures à 30 sigma, comme on le dit dans le jargon des statisticiens, avec les prédictions de la cosmologie stationnaire d'avant 1965.

Un groupe international d'astrophysiciens vient de battre un record à cet égard en trouvant le moyen de mesurer la température du rayonnement fossile moins d'un milliard d'années après le Big Bang. Futura avait déjà rendu compte d'une telle détection avec des molécules de CO pour une époque moins reculée dans le passé du cosmos observable dans le précédent article ci-dessous. Comme l'explique l'article publié dans Nature, les chercheurs ont obtenu récemment cette performance en utilisant l'observatoire Noema (Northern Extended Millimeter Array), situé dans les Alpes françaises, pour observer la galaxie HFLS3. 

Elle est devenue célèbre en 2013 car c'est une exceptionnelle galaxie à flambée de formation d'étoiles (starburst galaxy, en anglais) découverte et observée dans l'infrarouge par le télescope Herschel. Alors que la Voie lactée ne produit que l'équivalent de une à deux masses solaires chaque année, les mesures indiquent que, seulement 880 millions d'années après le Big Bang, HFLS3 produisait l'équivalent d'environ 3.000 masses solaires chaque année !

Des explications en italien sur la découverte faite grâce aux observations de Noema. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en italien devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Media Inaf, il notiziario online dell'Istituto Nazionale di Astrofisica

Un outil pour l'étude de l'énergie noire

HFLS3 contenait déjà à l'époque où on l'observe avec Noema des nuages moléculaires contenant des molécules d'eau. Ces molécules peuvent aussi absorber des photons du rayonnement fossile pendant une période durant environ 1,5 milliard d'années après le Big Bang. Après, le rayonnement fossile est devenu trop froid pour produire des bandes d'absorption moléculaire.

Les chercheurs ont découvert ces bandes trahissant la température d'alors du rayonnement fossile et ils ont confirmé, à la précision des mesures actuelles, qu'elle était bien environ sept fois plus élevée que dans l'Univers observable aujourd'hui et donc en plein accord avec les précisions du modèle cosmologique standard avec matière et énergie noire.

D'autres observations similaires moins de 1,5 milliard d'années après le Big Bang devraient être obtenues dans un avenir proche. Celles avec HFLS3 nous permettent déjà de poser des contraintes sur la vitesse d'expansion du cosmos 880 millions d'années après sa naissance et donc indirectement sur le comportement et la nature de l'énergie noire à cette époque. C'est un territoire encore peu défriché et qui pourrait contenir des surprises en accumulant de la statistique avec d'autres galaxies même si, pour le moment, les observations de HFLS3 sont en parfait accord avec les hypothèses standards sur la nature de l'énergie noire, à savoir qu'elle serait bien constante dans le temps.

Pour en savoir plus

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

Article de Laurent Sacco publié le 14/05/2008

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.

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 ! À 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.

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