Le Big Bang a peut-être été brillant et dramatique, mais immédiatement après cela, l'univers est devenu sombre, et ce pendant très longtemps. Les scientifiques pensent que les premières étoiles sont apparues dans un bouillon boueux de matière 200 millions d'années après le démarrage à chaud. Étant donné que les télescopes modernes ne sont pas assez sensibles pour observer directement la lumière de ces étoiles, les astronomes recherchent des preuves indirectes de leur existence.
Une équipe de scientifiques a donc réussi à capter un faible signal de ces étoiles à l'aide d'une antenne radio de la taille d'une table appelée EDGES. Des mesures spectaculaires, qui ouvrent une nouvelle fenêtre sur l'univers primitif, montrent que ces étoiles sont apparues 180 millions d'années après le Big Bang. Les travaux publiés dans Nature suggèrent également que les scientifiques peuvent repenser de quoi est faite la «matière noire» - un type mystérieux de substance invisible.
Les modèles ont montré que les premières étoiles à éclairer l'univers étaient bleues et de courte durée. Ils ont plongé l'univers dans un bain de lumière ultraviolette. Le tout premier signal observable de cette aube cosmique a longtemps été considéré comme un «signal d'absorption» - une baisse de luminosité à une longueur d'onde particulière - causée par le passage de la lumière et affectant les propriétés physiques des nuages d'hydrogène gazeux, l'élément le plus abondant de l'univers.
On sait que cette goutte doit être détectée dans la partie ondes radio du spectre électromagnétique à une longueur d'onde de 21 cm.
Mesure complexe
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Au début, il y avait une théorie qui prédit tout cela. Mais en pratique, trouver un tel signal est extrêmement difficile. En effet, il s'entrelace avec de nombreux autres signaux de cette région du spectre qui sont beaucoup plus puissants - par exemple, les fréquences communes des émissions radio et des ondes radio d'autres événements de notre galaxie. La raison pour laquelle les scientifiques ont réussi était en partie parce que l'expérience était équipée d'un récepteur sensible et d'une petite antenne, ce qui lui permettait de couvrir une grande zone du ciel relativement facilement.
Pour s'assurer que toute baisse de luminosité qu'ils ont trouvée était due à la lumière des étoiles du premier univers, les scientifiques ont examiné le décalage Doppler. Vous connaissez cet effet par l'abaissement du pas lorsqu'une voiture avec un feu clignotant et une sirène passe. De même, à mesure que les galaxies s'éloignent de nous en raison de l'expansion de l'univers, la lumière se déplace vers les longueurs d'onde rouges. Les astronomes appellent cet effet "redshift".
Le décalage vers le rouge indique aux scientifiques à quelle distance un nuage de gaz est de la Terre et depuis combien de temps, selon les normes cosmiques, de la lumière en était émise. Dans ce cas, tout changement de luminosité attendu à une longueur d'onde de 21 cm indiquera le mouvement et la distance du gaz. Les scientifiques ont mesuré la baisse de luminosité survenue à différentes périodes cosmiques, jusqu'au moment où l'univers n'avait que 180 millions d'années, et l'ont comparée à son état actuel. C'était la lumière des toutes premières étoiles.
Bonjour la matière noire
L'histoire ne s'arrête pas là. Les scientifiques ont été surpris de constater que l'amplitude du signal était deux fois plus grande que prévu. Cela suggère que l'hydrogène gazeux était beaucoup plus froid que prévu du fond des micro-ondes.
Ces résultats ont été publiés dans un autre article de Nature et ont jeté un hameçon pour les physiciens théoriciens. C'est parce qu'il ressort clairement de la physique qu'à cette époque de l'existence de l'univers, le gaz était facile à chauffer, mais difficile à refroidir. Pour expliquer le refroidissement supplémentaire associé au signal, le gaz a dû interagir avec quelque chose d'encore plus froid. Et la seule chose plus froide que le gaz cosmique dans l'univers primitif était la matière noire. Les théoriciens doivent maintenant décider s'ils peuvent étendre le modèle standard de la cosmologie et de la physique des particules pour expliquer ce phénomène.
Nous savons qu'il y a cinq fois plus de matière noire que de matière ordinaire, mais nous ne savons pas de quoi elle est faite. Plusieurs variantes de particules ont été proposées qui pourraient constituer la matière noire, et la préférée d'entre elles est la particule massive à faible interaction (WIMP).
La nouvelle étude suggère cependant que la particule de matière noire ne devrait pas être beaucoup plus lourde que le proton (qui pénètre dans le noyau atomique avec le neutron). C'est bien en dessous des masses prévues pour le WIMP. L'analyse suggère également que la matière noire est plus froide que prévu et ouvre une opportunité fascinante d'utiliser la «cosmologie de 21 cm» comme sonde pour la matière noire dans l'univers. D'autres découvertes avec des récepteurs plus sensibles et moins d'interférences de la radio terrestre pourraient révéler plus de détails sur la nature de la matière noire et peut-être même indiquer la vitesse à laquelle elle se déplace.
Ilya Khel
