Combien de photons ont été émis par toutes les étoiles de l'univers observable depuis ses origines ?

Le cosmoscosmos observable - ce qui ne préjuge ni de la taille réelle de l'Univers ni de l'existence d'un avant-Big Bang - est âgé d'environ 13,8 milliards d'années si l'on en croit, par exemple, les données disponibles dans le rayonnement fossile étudié grâce au satellite Planck. Mis à part les photons de cette plus vieille lumière que l'on observe dans le domaine des micro-ondes, on sait qu'il en existe d'autres, présents dans un fond de lumière diffuse extragalactique (en anglais extragalactic background light ou EBL).

Ces photons sont dans une bande de fréquencesbande de fréquences, et donc d'énergies, comprises entre celles des rayons infrarougesinfrarouges et ultravioletsultraviolets. Ils ont été émis par les étoilesétoiles et en partie aussi par les astresastres compacts accrétant de la matièrematière dans les galaxiesgalaxies, pour leur immense majorité. On peut se poser la question de l'estimation de tous ceux qui ont été émis depuis l'allumage des premières étoiles dans ce cosmos observable. Mais comment mesurer ce nombre ?

Les astrophysiciensastrophysiciens ont trouvé une méthode ingénieuse dans ce but et ils l'appliquent depuis plusieurs années en utilisant les télescopestélescopes gamma comme Hess sur Terre et Fermi dans l'espace. Ils sont ainsi arrivés tout dernièrement au nombre littéralement astronomique de 4 x 10⁸⁴ photons, soit un 4 suivi de 84 zéros, c'est-à-dire plus concrètement :

4,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000

L'idée d'utiliser des photons gamma permet de s'affranchir du brouillage résultant des propres émissionsémissions de lumière de notre Voie lactéeVoie lactée, résultant des étoiles et des nuagesnuages de poussières. Voilà comment cela fonctionne.

Illustration de l'effet de la lumière diffuse sur les rayons gamma provenant d'un quasar lointain, avant leur arrivée sur Terre. Une fraction des rayons gamma est absorbée lors des collisions avec les photons du EBL, qui est produit par toutes les étoiles et les galaxies de l'Univers. Si la densité des photons du EBL est grande (figure du haut), l'absorption est grande et les rayons gamma les plus énergétiques sont perdus. La distribution de l'énergie des rayons gamma (ou spectre) est alors fortement modifiée. En revanche, si la densité est faible (graphe du bas), l'absorption est moindre et le spectre observé n'est que peu modifié. © IN2P3

Les quasars et le fond de lumière diffuse extragalactique

Les quasarsquasars sont des sortes de balises cosmiques que l'on peut repérer de loin dans l'Univers observable parce qu'ils sont formidablement lumineux. Il s'agit de trous noirs supermassifstrous noirs supermassifs en rotation accrétant de la matière et émettant des jets de particules. Lorsque ces jets sont dirigés plus ou moins dans notre direction par hasard, les quasars prennent le nom de blazars. Ce sont des sources de rayons gammarayons gamma et comme toutes les sources, elles ont un spectrespectre caractéristique qui donne le nombre de photons émis dans une fréquence donnée.

Ces photons gamma sont très énergétiques, tellement que lors de leur voyage entre les galaxies et en entrant en collision avec les photons de l'EBL, ils conduisent à la production de paires de particules et d'antiparticulesantiparticules, en l'occurrence des électronsélectrons et des positronspositrons, selon un processus de théorie quantique des champs, décrit par les travaux de John Wheeler et Gregory Breit. Le résultat final est que le spectre gamma des blazarsblazars se dépeuple en photons à une fréquence donnée d'autant plus que le brouillardbrouillard de photons de l'EBL est important.

On peut donc déduire, en quelque sorte, la densité de ce brouillard et donc le nombre de photons produits par toutes les étoiles du cosmos observable. On sait qu'ils sont majoritairement dans la bande qui va de l'infrarouge à l'ultraviolet, à cause de la nature même des étoiles.