Un extrait de la simulation Thesan montrant la progression de l'ionisation (jaune à rouge) dans l'hydrogène neutre intergalactique (bleu). © Thesan Collaboration
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Une simulation prédit ce que pourra voir le télescope spatial Webb du premier milliard d'années de l'Univers

ActualitéClassé sous :cosmologie , Réionisation de l'Univers , ère de la réionisation

[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. 

Que s'est-il passé quand les premières étoiles se sont allumées ? Comment cela a-t-il impacté l'évolution précoce des galaxies ? Une nouvelle simulation numérique impressionnante explore certains des scénarios possibles en faisant des prédictions sur ce que pourra observer le James-Webb, et pas que lui, pour les tester.

Les années 1960 ont vu la découverte de deux phénomènes astrophysiques qui ont rapidement accrédité la théorie du Big Bang de Georges Gamow et Georges Lemaître, rendant de plus en plus intenable le modèle cosmologique standard précédent où le cosmos observable n'était qu'une fraction d'un univers infini. Un univers en expansion éternelle sans début ni fin dans lequel des processus de création de matière faisaient naître de nouvelles galaxies pour maintenir une densité de matière constante malgré l'effet de dilution de l'expansion.

Ces phénomènes étaient les quasars, dont on sait maintenant qu'ils sont très probablement des trous noirs supermassifs de Kerr en rotation accrétant beaucoup de matière, et le rayonnement fossile.

Les quasars ont de fortes raies d'émission Lyman-alpha, c'est-à-dire une émission de photons dans le domaine de l'ultraviolet bien décrite par le modèle de Bohr de l'atome d'hydrogène qui se désexcite d'une certaine manière. Ces raies d'émission sont aussi produites de la même manière par la matière chauffée par la naissance de jeunes étoiles dans les galaxies.

Le décalage vers le rouge du spectre des quasars que l'on mesure avec une quantité notée « z » qui est d'autant plus élevée qu'un quasar est observé loin, donc tôt dans l'histoire du cosmos observable, nous indique selon la loi de Hubble-Lemaître qu'ils sont situés majoritairement à des milliards d'années-lumière de la Voie lactée. On observe également une série de raies d'absorption dans le spectre des quasars. Il s'agit de la même raie d'émission Lyman-alpha absorbée par de la matière entre un quasar et un instrument sur Terre. Mais comme les distances des quasars varient, on voit aussi des raies décalées selon la distance et qui forment au final ce que l'on appelle des forêts Lyman-alpha.

C'est paradoxal, comme l'a mis en évidence la prise en compte à un moment donné d'un effet découvert par les astrophysiciens James Gunn et Bruce Peterson en 1965. En effet, l'hydrogène neutre que l'on sait exister entre les galaxies devrait assez rapidement bloquer le rayonnement Lyman-alpha mesurable en l'absorbant. À moins d'imaginer qu'une partie de l'hydrogène présent soit ionisée.

Depuis 13,8 milliards d’années, l’Univers n’a cessé d’évoluer. Contrairement à ce que nous disent nos yeux lorsque l’on contemple le ciel, ce qui le compose est loin d’être statique. Les physiciens disposent des observations à différents âges de l’Univers et réalisent des simulations dans lesquelles ils rejouent sa formation et son évolution. Il semblerait que la matière noire ait joué un grand rôle depuis le début de l’Univers jusqu’à la formation des grandes structures observées aujourd’hui. © CEA Recherche

Une réionisation cosmique

Toutefois la découverte et l'interprétation de l'existence du rayonnement fossile dans le cadre de la théorie du Big Bang et son étude à partir des mesures faites par le satellite Planck, en particulier, nous indiquent qu'environ 380.000 ans après le Big Bang, l'émission du rayonnement fossile est précisément due à la formation d'atomes d'hydrogène et d'hélium neutre, la température du plasma formé d'ions et d'électrons les conduisant par sa chute due à l'expansion du cosmos à se combiner.

Les cosmologistes sont donc arrivés à la conclusion dans les quelques centaines de millions d'années qui ont suivi l'émission du rayonnement fossile, que quelque chose s'est produit et a conduit à la réionisation de la matière ordinaire du cosmos observable.

On pense que c'est tout simplement la formation des premières étoiles dans les premières galaxies et aussi l'accrétion de matière par les premiers trous noirs géants qui auraient produit le rayonnement non seulement conduisant à ce qu'on appelle la fin des âges sombres (au début desquels il n'existait pas encore d'étoiles) mais aussi, en même temps, à la réionisation (Epoch of Reionization  ou EoR en anglais), il y a plus de 13 milliards d'années.

Les cosmologistes aimeraient bien comprendre en détail la chronologie de la réionisation, car elle est porteuse d'informations sur la naissance des étoiles et des galaxies. Jusqu'à présent, on avait qu'un début d'accès timide et restreint de la fin de la réionisation avec des télescopes comme Hubble, mais tout devrait changer une fois que le télescope James-Webb sera pleinement opérationnel dans quelques mois.

Il existe un autre rayonnement qui peut nous donner des renseignements non seulement sur ce qui s'est passé pendant les âges sombres, mais aussi pendant le réionisation. Les nuages d'hydrogène neutre pouvaient en effet émettre un rayonnement radio via la fameuse raie à 21 cm. On devrait pouvoir observer, cartographier et étudier une sorte d'équivalent du rayonnement de fond diffus fossile mais produit cette fois-ci par les nuages d'hydrogène neutre de ces deux périodes. On attend beaucoup à ce sujet de la mise en service du réseau de radiotélescopes Square Kilometre Array (SKA).

Un extrait de la simulation Thesan avec un carottage dans le passé qui débute avec des observations à un décalage spectral mesuré avec z qui est élevé et qui diminue avec le temps qui passe. On voit aussi bien la réionisation qui progresse dans le contenu en hydrogène neutre que l'effondrement de cet hydrogène en galaxies et filaments d'amas de galaxies provoqué par l'effondrement de la matière noire et dont la simulation tient compte également. © Thesan simulations

Des simulations pour reproduire l'histoire de l'Univers primitif

Toutefois, dans tous les cas, il faut un modèle pour interpréter les observations, observations qui en retour servent à tester les hypothèses derrière un modèle. Or, il se trouve que si l'on peut comprendre jusqu'à un certain point ce qui s'est passé pendant les quelques dizaines de millions d'années après le Big Bang par des calculs analytiques simples avec des approximations linéaires des équations utilisées, cela n'est plus possible par la suite car il faut affronter le régime non linéaire de ces équations et des simulations numériques sont alors indispensables.

Depuis des décennies, on effectue ces simulations pour comprendre la naissance des galaxies et leur rassemblement avec le temps en grandes structures filamenteuses. Au départ, il s'agissait de décrire l'effet de la gravitation sur des distributions de matière noire seule, car elle représente l'essentiel de la masse sous forme de matière. Mais avec le temps, on s'est rendu compte - comme en plus la montée en puissance des ordinateurs a fini par permettre de le faire - qu'il fallait aussi prendre en compte des effets fins du comportement de la matière baryonique. Ainsi, une flambée de formation d'étoiles dans une jeune galaxie conduit à une flambée de supernovae dont le souffle des explosions peut expulser d'une galaxie le gaz baryonique, modifiant les distributions de matière normale et donc par contrecoup sous l'effet de la gravité la distribution de la matière noire et la façon aussi dont des nuages de matière vont s'accréter sur des galaxies et les faire croître.

L'une des dernières simulations en date de ce genre s'appelle Thesan et elle a été développée par des scientifiques du MIT, de l'Université de Harvard et de l'Institut Max-Planck d'astrophysique. Elle a été nommée d'après la déesse étrusque de l'aube, Thesan, car elle est conçue pour simuler plus particulièrement la réionisation cosmique. Comme on peut s'en convaincre en lisant un article à ce sujet publié dans Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, et dont une version en accès libre se trouve sur arXiv, elle bat des records de complexité à cet égard en modélisant finement la production de rayonnement par les étoiles, les explosions de supernovae et le rayonnement des trous noirs supermassifs ainsi que les effets de ce rayonnement sur les galaxies et le milieu intergalactique qui conditionne aussi par ses apports de matière, par exemple sous forme de filaments de matière noire froide, l'évolution des galaxies.

La simulation Thesan a été implémentée sur SuperMUC-NG - l'un des plus grands supercalculateurs au monde - qui exploitait simultanément 60.000 cœurs de calcul pour effectuer les calculs de Thesan sur un équivalent de 30 millions de CPU. Basée sur une précédente simulation appelée Illustris-TNG qu'elle étend, elle bat un record non seulement en ce qui concerne la prise en compte poussée de divers phénomènes astrophysiques survenus depuis l'émission du rayonnement fossile mais aussi en ce qui concerne le volume d'espace-temps, où l'on décrit finement l'époque de la réionisation (c'est-à-dire entre 380.000 ans et un milliard d'années après le Big Bang environ), à savoir un volume cubique de l'Univers observable s'étendant sur 300 millions d'années-lumière et dans lequel on suit l'apparition et l'évolution de centaines de milliers de galaxies.

Un autre extrait de la simulation Thesan montrant, à gauche, la diminution du volume de nuages d'hydrogène neutre avec le temps qui passe et qui correspond à des observations à des z décroissants. Sur la droite, la formation du nombre d'étoiles dans les galaxies augmentant, la quantité de photons ionisant dans le milieu intergalactique augmente aussi avec le temps et le z décroissant. © Thesan simulations

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