Stephanie
Au début de l’UniversUnivers, juste après le Big BangBig Bang, tout n’était qu’une soupe primordiale de quarksquarks, gluons, photonsphotons et électronsélectrons, le tout à très haute température. Ce n’est que 380.000 ans après que les premiers atomesatomes sont créés, durant la recombinaisonrecombinaison : les noyaux atomiques déjà formés depuis quelques minutes après le Big Bang capturent des électrons. Seuls l’hydrogènehydrogène et l’héliumhélium, voire quelques atomes de lithiumlithium, existent alors. Des nuagesnuages plus ou moins denses se créent alors, composés de ces atomes légers. Et ce n’est que quelques centaines de millions d’années plus tard, soit il y a 13,6 milliards d’années, que les toutes premières étoilesétoiles apparaissent, résultant de l’effondrementeffondrement gravitationnel de ces nuages d’atomes. S’ensuit ensuite la période surnommée « réionisationréionisation », durant laquelle l’Univers s’éclaire petit à petit grâce à ces étoiles qui ionisent leur environnement.
Qualifiées d’étoiles de « Population IIIPopulation III », elles n’ont à ce jour jamais été retrouvées. Elles auraient été très massives, de l’ordre de la centaine de massesmasses solaires, ainsi elles ont vite explosé et ne sont plus visibles aujourd’hui telles qu’elles étaient à cette époque ! Ce sont aussi ces étoiles qui sont à l’origine de tous les « métauxmétaux », qui désignent en astrophysiqueastrophysique les éléments plus lourds que l’hélium. Elles les ont synthétisés par des réactions de fusion nucléairefusion nucléaire puis les ont éjectés dans l’espace interstellaire lors de leur explosion en supernova. De récentes recherches publiées dans The Astrophysical Journal ont justement permis de retrouver des traces de ces explosions massives, ou plus exactement des résidus de leur mort.
Les fouilles du quasar le plus ancien de l’Univers
Mais comment partir à la recherche des astresastres les plus anciens ? En regardant parmi les objets les plus lointains et lumineux de l’Univers : les quasars. Ces derniers tiennent leur nom de « quasi-stellar », car ils ressemblent à des étoiles lumineuses, mais correspondent en fait à des noyaux actifs de galaxiesnoyaux actifs de galaxies. Et c’est vers le plus lointain jamais observé que l’équipe de chercheurs s’est tournée : ULAS J1342+0928. Situé à 13,1 années-lumièreannées-lumière de nous, il possède un décalage vers le rougedécalage vers le rouge z=7,54, signifiant qu’il « se trouve dans la période de transition de la réionisation cosmique », explique l’étude. Car du fait de l’expansion de l’Univers, plus les objets sont lointains, plus ils s’éloignent, donc plus le décalage vers le rouge par effet dopplereffet doppler est important. Et plus ils sont lointains, plus ils sont anciens. Le quasarquasar sondé par les chercheurs correspond ainsi à 700 millions d’années après le Big Bang.
Pour en savoir plus sur ce quasar distant, les chercheurs ont utilisé le télescopetélescope Gemini North de l’observatoire Gemini, situé au Chili. Équipé d’un spectrographespectrographe, il a permis d’obtenir un spectrespectre lumineux à partir duquel l’équipe a calculé des rapports d’abondance pour différents métaux, dont le ferfer et le magnésiummagnésium. Et les résultats sont tombés : l’abondance en fer est équivalente à 20 fois celle du SoleilSoleil, et un rapport fer/magnésium 10 fois plus élevé que le Soleil ! Un résultat qui selon l’étude ne peut être expliqué que par une supernova, et pas n’importe laquelle : d’une supernova à instabilités de paires !
La première observation d’une supernova à instabilités de paires ?
En effet, le cas d’étoiles particulièrement massives, qui dépassent la fin de vie, ne se déroule pas comme les schémas que l’on connaît habituellement. Théorisées dans les années 1960, les supernovas à instabilités de paires, aussi appelées supernovassupernovas à production de paires, résultent de l’annihilation de photons gamma en une paire électron-positron, c’est-à-dire une paire particule-antiparticule. Ces électrons et positrons, des particules chargées, interagissent ensuite avec les atomes des couches supérieures de l’étoile. Du fait de la conversion de ces photons en masse, la pressionpression radiative au sein de l’étoile diminue. Or, c’est elle qui lui permet de lutter contre sa propre gravité. L’étoile va commencer à se contracter sur elle-même, puis chauffer : en résultent de plus grandes quantités de réactions nucléairesréactions nucléaires, et d’autant plus de photons convertis en paires électron-positron. Donc encore une diminution de la pression radiative, et de plus en plus d’ionisationsionisations au sein des couches supérieures. Finalement, le tout explose sans laisser d’astre derrière, mais en éjectant de grandes quantités de matièrematière.
Pour retrouver de tels astres, pas le choix ! Il faut pister la trace chimique qu’ils ont laissée. Et c’est bien ce que pense avoir trouvé l’équipe de chercheurs ! « Il était évident pour moi que la supernova candidate pour cela serait une supernova à instabilité de paires d’une étoile de Population III, dans laquelle l’étoile entière explose sans laisser de reste », a déclaré Yuzuru Yoshii dans un communiqué, premier auteur de l’étude. « J’ai été ravi et quelque peu surpris de constater qu’une supernova à instabilité de paires d’une étoile avec une masse d’environ 300 fois celle du Soleil fournit un rapport magnésium/fer qui correspond à la faible valeur que nous avons dérivée pour le quasar. » Selon les chercheurs, les restes trouvés correspondraient à une étoile entre 150 et 300 masses solaires.
De plus amples observations restent néanmoins nécessaires pour confirmer cette hypothèse. Notamment des observations réalisées plus près : des résidus de supernovas à instabilités de paires pourraient même être trouvés dans notre univers local ! « Nous savons maintenant ce qu’il faut rechercher ; nous avons une voie », a conclu Timothy Beers, co-auteur de l’étude astronomeastronome à l’Université de Notre Dame. « Si cela s’est produit localement au tout début de l’Univers, ce qu’il aurait dû faire, nous nous attendrions à en trouver la preuve. »
Article de Laurent SaccoLaurent Sacco publié le 14/06/2020
Quand les premières étoiles se sont-elles allumées mettant fin à ce qui est appelé les âges sombresâges sombres du cosmoscosmos observable ? La question n’a toujours pas de réponse claire mais il semble bien que ce soit plus tôt que ce que l’on pensait d’après des observations faites avec Hubble.
Dans la formulation initiale de la théorie du Big Bang que l’on doit à George GamowGeorge Gamow, le cosmos observable commence par un gazgaz chaud et dense de neutronsneutrons. La charge électrique totale de l’Univers est donc nulle et elle doit le rester à cause de la loi de la conservation de la charge qui n’est de plus pas violée, ce qui ne serait pas le cas si l’on supposait une création nette de charge.
Les neutrons vont alors se désintégrer rapidement en donnant des protonsprotons et des électrons en nombres égaux, des neutrinosneutrinos, le tout s’accompagnant d’un bain de photons alors que le cosmos est en expansion. En quelques minutes des réactions nucléaires se produisent qui vont donner des noyaux d’hydrogène et d’hélium avec leurs isotopesisotopes ainsi qu’un peu de lithium. Mais ces réactions vont rapidement se stopper là, de sorte qu’aucun noyau de carbonecarbone, d’oxygèneoxygène, d’azoteazote et encore moins de fer n’est présent.
Des centaines de milliers d’années plus tard, la température de ce plasma baisse suffisamment pour que les noyaux capturent des électrons, d’où peut-être le nom de recombinaison donnée à cette période primitive de l’histoire de l’Univers qui voit l’apparition des premiers atomes neutres en quelques milliers d’années et la libération des photons qui vont devenir le fameux rayonnement fossilerayonnement fossile, la plus vieille lumière du cosmos.
Nous ne croyons plus aujourd’hui que protons et électrons qui composent la matière autour de nous sont nés à partir d’un gaz de neutrons primordial mais pour l’essentiel, le scénario esquissé par Gamow et aussi son collègue et collaborateur Ralph Alpher s’est révélé correct. Environ 400.000 ans après le Big Bang débutent donc ce que l’on appelle les âges sombres car aucune étoile ne brille encore et le rayonnement fossile va se refroidir suffisamment pour être dans le domaine des micro-ondes.
Des masses d’hydrogène et d’hélium vont alors s’effondrer gravitationnellement pour donner les premières étoiles et les premières galaxies. Mais cet effondrement est si rapide que l’on doit faire intervenir une composante de matière noirematière noire, un gaz de particule encore inconnue qui domine la matière ordinaire par sa masse et sa gravité, accélérant son effondrement.
Le Big Bang, les premières étoiles et la réionisation avec Hubble. 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 ». © Hubble, ESA
Des étoiles massives sans éléments lourds qui réionisent le cosmos
C’est le scénario standard de la cosmologiecosmologie moderne que l’on doit notamment à des pionniers comme le prix Nobel de physique James Peebles. Mais encore actuellement, on ne sait pas vraiment quand les premières étoiles sont apparues même si on peut trouver des indications en étudiant le rayonnement fossile comme l’a fait le satellite Plancksatellite Planck. On ne sait pas non plus très bien si ce sont ces étoiles ou les premiers trous noirstrous noirs massifs au cœur des jeunes galaxies qui sont responsables de ce que l’on appelle la réionisation de l’Univers. En effet, le gaz intergalactique n’est plus neutre depuis des milliards d’années, ce qui veut dire qu’il a été ionisé partiellement par du rayonnement ultravioletultraviolet.
Les caractéristiques des premières étoiles ne sont pas très bien comprises non plus. On les appelle des étoiles de population III et elles n’ont encore jamais été observées dans l’Univers profond. On sait qu’elles devaient être très massives et auraient donc dû évoluer rapidement en donnant les premiers éléments lourds. Ces éléments vont permettre une seconde génération d’étoiles, celles observées et dites de type II dans les galaxies, en tout premier lieu dans la Voie lactéeVoie lactée. Le Soleil est lui une étoile de type I, car encore plus jeune comme le serait un enfant d’un an par rapport à des enfants de 2 et 3 ans.
Rappelons au passage que l’on a des problèmes pour faire naître des étoiles de type III car celles que l’on observe aujourd’hui nécessitaient des éléments lourds pour naître, éléments lourds qui, comme on l’a dit précédemment, n’existaient pas encore au sortir du Big Bang. Il existe tout de même des scénarios, notamment ceux basés sur l’hydrogène moléculaire (on suspecte aussi un rôle possible de la matière noire).
Une chasse aux premières étoiles grâce aux lentilles gravitationnelles
Toujours est-il qu’astrophysiciensastrophysiciens et cosmologistes traquent les étoiles de population III depuis longtemps. Comme elles appartiennent nécessairement à des temps très anciens, elles doivent nous apparaître comme très lointaines et donc très peu lumineuses, ce qui ne facilite pas les choses. Heureusement, comme le montre une publication sur arXiv provenant d’une équipe de chercheurs menée par l’astrophysicienne Rachana Bhatawdekar de l’ESAESA, la nature s’est montrée « bienveillante » à notre égard.
En effet, MACSJ0416 est un amas galactique qui produit un important effet de lentille gravitationnelle. Il permet donc de sonder le cosmos alors que celui-ci avait des âges compris entre 500 millions et un milliard d’années après le Big Bang. De jeunes galaxies ordinairement invisibles font alors leur apparition. Rachana Bhatawdekar et ses collègues ont pu les étudier avec le télescope Hubble, mais aussi en complément des données provenant de SpitzerSpitzer et du VLTVLT de l’ESOESO, révélant ainsi des galaxies 10 à 100 fois plus faibles que celles précédemment observées et telles qu’elles étaient il y a entre 500 millions et un milliard d’années après le Big Bang.
Dans un communiqué de l’ESA concernant le télescope Hubble Rachana Bhatawdekar expose le résultat final de ces études en ces termes : « Nous n’avons trouvé aucune trace des étoiles de la Population III dans cet intervalle de temps cosmique. Ces résultats ont de profondes conséquences astrophysiques car ils montrent que les galaxies doivent s’être formées beaucoup plus tôt que nous ne le pensions. Cela soutient également fortement l’idée que les galaxies de faibles masses dans l’Univers primitif sont responsables de la réionisation ».
On devrait en savoir plus quand le successeur de Hubble, le prochain télescope spatial James-Webb, verra sa première lumière en orbiteorbite.
Article de Nathalie MayerNathalie Mayer publié le 02/01/2020
Des astronomes ont tourné le télescope spatial Hubbletélescope spatial Hubble vers l’un des plus anciens amas de galaxiesamas de galaxies connus à ce jour. Leurs travaux permettent de préciser où et quand les premières étoiles et les premières galaxies se sont formées. Seulement 370 millions d’années après le Big Bang.
Juste après le Big Bang, l’univers était composé d’une soupe primordiale d’atomes d’hydrogène et d’hélium ainsi que de matière noire. Pendant longtemps, il n’y avait ni galaxies ni même étoiles pour éclairer les lieux. Et cet âge sombre de l’univers a duré plusieurs centaines de millions d’années. Aujourd’hui, des astronomes nous offrent un aperçu de ce qui s’est joué à la fin de cette période. Ils ont en effet mesuré l’âge des étoiles contenues dans l’un des amas de galaxies les plus éloignés de nous : XLSSC 122. Des étoiles qui se sont formées au cœur de l’âge sombre de l’univers.
Pour ce faire, les chercheurs de l’université de Victoria (Canada) se sont appuyés sur des données du télescope spatial Hubble. La lumière de l’amas de galaxies — un groupe de milliers de galaxies qui orbitent les unes autour des autres — qu’ils ont observé a mis 10,4 milliards d’années à parvenir jusqu’à notre Terre. Ce qui signifie que cet amas existait déjà seulement 3,3 milliards d’années après le Big Bang. Et qu’il se pose comme un témoin idéal des débuts de l’univers.
Et ce que les astronomes ont observé dans cet amas, ce sont plusieurs galaxies d’une même couleurcouleur rouge : 19 au total ! Or, la couleur d’une galaxie trahit son âge. Les étoiles jeunes, en effet, sont plus bleues. Les étoiles plus âgées apparaissent plus rouges. Ainsi, ces galaxies présenteraient un âge similaire.
Des résultats à confirmer
Les modèles connus ont permis aux chercheurs de l’université de Victoria d’estimer que les étoiles de ces galaxies ont commencé à se former alors que l’univers n’avait que 370 millions d’années. Une date qui coïncide avec celle à laquelle les astronomes pensent que les premières étoiles se sont formées au cours de l’âge sombre.
Comment expliquer qu’autant de galaxies ont commencé à fabriquer des étoiles au même moment ? Sous influence de leur environnement ? Par réaction en chaîneréaction en chaîne après qu’une galaxie a formé ses premières étoiles ? Les astronomes l’ignorent encore.
“Attendre les données du télescope spatial James Webb”
Et quelques réserves doivent être posées sur les résultats des chercheurs de l’université de Victoria. Car déterminer l’âge d’une galaxie à partir de sa couleur est quelque peu hasardeux. Une jeune galaxie remplie de poussières peut en effet très bien présenter la même couleur qu’une vieille galaxie plus propre. Pour être sûr des résultats présentés, il faudra attendre le télescope spatial James Webb et son étude des spectres de la lumière émise par ces galaxies.
Les premières étoiles se sont formées très tôt
Comment et quand les premières étoiles de notre univers se sont formées reste encore un mystère. Mais un nuage de gaz extrêmement lointain semble avoir fourni aux astronomes de nouveaux indices. Au moins deux générations d’étoiles s’y seraient déjà succédé il y a 13 milliards d’années.
Article de Nathalie Mayer paru le 04/11/2019
Les quasars : c’est ainsi que les astronomes appellent les noyaux actifs extrêmement brillants des galaxies lointaines. Et c’est justement en étudiant certains des quasars les plus distants de notre Terre — et donc les plus anciens connus — que des chercheurs de l’Institut Max Planck (Allemagne) ont découvert, totalement par hasard, un nuage de gaz qui a finalement retenu toute leur attention.
Les astronomes ont en effet d’abord constaté que le quasar P183+05 présentait un spectre très inhabituel. Par une analyse plus détaillée, ils ont ensuite établi que les étranges caractéristiques spectrales enregistrées signaient en réalité la présence, à proximité immédiate du quasar, d’un nuage de gaz, ce qui en fait de fait, l’un des nuages de gaz les plus lointains — et donc les plus anciens — que les chercheurs n’aient jamais identifiés. Il serait situé à quelque 13 milliards d’années-lumière de notre Terre et daterait donc de seulement 850 millions d’années après le Big Bang.
Une aubaine pour les astronomes qui étudient le processus par lequel les premières étoiles se sont formées dans notre univers. Car, lorsqu’un nuage de gaz s’interpose entre notre Terre et un quasar, une partie de la lumière qui nous arrive de ce quasar est sélectivement absorbée en fonction des éléments constituant le nuage de gaz. De quoi remonter à la composition chimique du nuage, à sa température et à sa densité notamment.
Toujours pas de trace des premières étoiles
Rappelons que dans notre univers, les éléments chimiques plus lourds que l’hydrogène jouent un rôle important dans le processus de formation des étoiles. Ils participent activement à l’effondrement des nuages de gaz qui leur donne naissance. Mais ces éléments lourds — le carbone, par exemple — sont produits par les étoiles elles-mêmes et disséminésdisséminés dans l’espace par des explosions de supernova. Ainsi, les premières étoiles n’ont-elles pas pu en bénéficier. Car après le Big Bang, il n’existait que des atomes d’hydrogène et d’hélium. Et pendant un temps, les chercheurs ont pensé trouver dans leur nuage de gaz, la signature des hypothétiques étoiles de population III, les toutes premières étoiles de l’univers, constituées exclusivement d’éléments légers.
Mais le nuage de gaz étudié par les chercheurs de l’Institut Max PlanckMax Planck contient bien des traces d’éléments comme le carbone, l’oxygène, le fer ou le magnésium. Dans des proportions ne dépassant pas 1/800e de fois celles rencontrées dans l’atmosphèreatmosphère de notre Soleil, ce qui semble logique, compte tenu de l’âge estimé du nuage de gaz. Cependant, l’analyse conclut malgré tout à des abondances relatives similaires à celles qui sont observées dans des nuages de gaz intergalactiques bien plus récents.
“Nous allons devoir remonter plus loin dans l’histoire de l’univers”
Selon les astronomes, seules des explosions de supernova de type 1a peuvent produire de telles abondances. Or, avant de finir en supernova, une étoile a généralement besoin… d’un milliard d’années. « Si nous voulons identifier les signatures des premières étoiles, nous allons devoir explorer plus loin encore dans l’histoire de notre univers. Mais je suis confiant. Nous trouverons des nuages de gaz plus anciens qui nous aideront sans doute à comprendre enfin comment les premières étoiles se sont formées », conclut Eduardo Bañados, astronome à l’Institut Max Planck.
Planck précise la date de l’allumage des premières étoiles (MAJ)
Les membres de la collaboration Planck viennent de livrer aux générations futures de cosmologistes et d’astrophysiciens un extraordinaire héritage : le résultat de l’analyse de l’ensemble des données collectées par le satellite de l’ESA entre 2009 et 2013 concernant le rayonnement fossile. Il n’a malheureusement pas été possible de trouver la preuve tant attendue de la théorie de l’inflation mais on en sait maintenant plus sur la nature de la matière noire, la géométrie de notre univers et la date de l’allumage des premières étoiles.
Article de Laurent Sacco paru le 11/09/2016
On a des difficultés pour établir à quel moment dans l’histoire de l’univers observable les étoiles ont commencé à s’allumer et surtout à réioniser la matière baryonique qui était devenue neutre après la naissance des atomes, 380.000 ans après le Big Bang. En 2015, les membres de la collaboration Planck avaient fourni une nouvelle estimation de la date à laquelle la moitié de cette matière avait été ionisée en étudiant une première carte de la polarisation du rayonnement fossile. Elle avait été dressée grâce aux données collectées par l’instrument Low-Frequency Instrument (LFI). La date obtenue était de 550 millions d’années.
Une nouvelle publication disponible sur arXiv et utilisant les mesures de l’instrument High-Frequency Instrument (HFI) pour la polarisation du CMB fournit maintenant la date de 700 millions d’années après le Big Bang.
En bonus, ces mesures indiquent que la réionisation aurait bien été causée essentiellement par les premières étoiles et pas par le rayonnement des premiers trous noirs massifs accrétant de la matière qui n’auraient eu qu’une influence négligeable.
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Article initial paru le 06/02/2015
En avril 2013, l’ESA avait rendu publics les premiers résultats portant sur la cosmologie issus des analyses des données collectées par les deux instruments de Planck, LFI (Low Frequency Instrument) et HFI (High Frequency Instrument). Ceux-ci étaient chargés d’observer le rayonnement fossile, en radioradio pour le premier et dans les domaines submillimétrique et infrarougeinfrarouge lointain pour le second. La nouvelle image de l’univers observable qui en avait émergé provenait de deux couvertures complètes de la voûte céleste.
Les membres de la collaboration Planck savaient qu’ils pouvaient obtenir une image encore plus précise et complète de notre cosmos car, en réalité, cinq couvertures du ciel avec HFI et huit avec LFI avaient été obtenues. On pouvait donc s’attendre à de nouvelles révélations concernant par exemple la courbure et la topologie de notre univers et la nature de son contenu en matière et en énergie noire.
Mais la principale préoccupation des cosmologistes, des astrophysiciens et des physiciensphysiciens théoriciens de hautes énergies était sans doute les résultats des analyses portant sur la polarisation du rayonnement fossile. Comme l’explique la vidéo ci-dessous, la connaissance précise de cette polarisation, qui peut être décomposée en deux parties désignées sous les termes de modes E et de modes Bmodes B, nous permet, en théorie, de déterminer à quel moment les premières étoiles se sont allumées dans l’univers, c’est-à-dire le début de la période de la réionisation, encore appelée celle de la Renaissance cosmique, qui a mis fin aux âges sombres.
Depuis la publication des premiers résultats des analyses des observations de Planck en 2013, les travaux se sont poursuivis. Cette vidéo nous explique de quelle nature pouvaient être les nouvelles découvertes découlant de ces travaux, en particulier ceux effectués pour préciser la mesure de la polarisation du rayonnement fossile et qui concernent la date de la réionisation et la théorie de l’inflation. © HFI Planck, YouTube
Plus précisément cela nous permet de savoir quand le rayonnement des premiers astres formés à partir de la matière neutre laissée par le Big Bang a commencé à sérieusement ioniser à nouveau les atomes d’hydrogène et d’hélium qui s’étaient formés 380.000 ans après le Big Bang au moment de l’émissionémission du rayonnement fossile (la période dite de la recombinaison). La découverte, et la mesure des modes B en particulier, a le potentiel de nous révéler si une phase d’inflation primordiale s’est bel et bien produite environ 10-35
La réionisation et l’inflation selon Planck
L’excitation est donc devenue grande quand, le 17 mars 2014, les membres de la collaboration Bicep2Bicep2 ont fait savoir qu’ils avaient probablement grillé au poteau leurs confrères de Planck en observant des modes B apparemment spécifiques à une phase d’inflation. Mais il fallait une confirmation supplémentaire, en l’occurrence la publication des analyses complètes des observations collectées par Planck. Elles étaient attendues pour la fin de l’année 2014.
Mis en ligne ces derniers jours, le travail conjoint des membres de Planck, Bicep2 et de ceux d’une autre expérience (KeckKeck Array) n’a pas permis de valider les conclusions avancées en mars 2014. Le signal observé était en fait produit par les poussières de la Voie lactée dont on avait sous-estimé la contribution à la polarisation du rayonnement fossile.
Restait en suspens la question de l’estimation de la date de l’allumage des premières étoiles. On attendait également des estimations plus précises des paramètres cosmologiques, constituant en quelque sorte la carte d’identité de notre univers. D’autres interrogations demeuraient, comme celles liées aux contraintes éventuelles à imposer aux modèles d’inflation, sans oublier les informations sur les caractéristiques des galaxies et des amas de galaxies.
L’ESA vient finalement de mettre en ligne ce 5 janvier 2015 la majorité des résultats finaux concernant les analyses des observations complètes de Planck. Le CNRS a publié un communiqué portant sur les principaux résultats obtenus et le site Planck HFI a également mis en ligne plusieurs pages sur le sujet.
Les spécialistes pensent maintenant que la réionisation de l’univers sous l’effet du rayonnement des premiers astres a commencé environ 550 millions d’années après le Big Bang et pas 450 millions d’années comme l’indiquaient les précédentes estimations. L’information est précieuse parce qu’elle indique qu’il suffit de faire intervenir l’allumage des premières étoiles, et qu’il n’est pas nécessaire de l’accompagner de la présence d’autres sources de rayonnement exotiquesexotiques, pour provoquer cette réionisation.
En effet, des observations faites de l’univers lointain, par exemple avec le télescope Hubble ou le VLT, conduisaient à penser que la formation des galaxies avaient débuté environ 300 à 400 millions d’années après le Big Bang, ce qui laissait trop peu de temps à la formation des premières étoiles pour vraiment réioniser significativement l’univers.
Le satellite Planck vient de livrer sa toute dernière carte de l’univers. Elle montre le rayonnement fossile, la plus ancienne lumière du cosmos, mais avec cette fois une nouvelle donnée : la polarisation de ces rayonnements. © CNRS, Dailymotion
Le contenu, la géométrie et la topologie de l’univers selon Planck
L’âge du cosmos observable a été précisé, sa valeur est maintenant estimée à 13,77 milliards d’années avec une constante de Hubbleconstante de Hubble qui vaut H0=67,8 +/-0,9 km s-1 Mpc-1.
Il est composé à 4,9 % de matière baryonique dont une partie importante ne se trouve pas sous forme d’étoiles.
Selon les estimations, son contenu en matière noire constitue 25,9 % de la masse de l’univers observable. On ne sait toujours pas de quoi est constituée cette matière noire (à l’exception d’une très faible fraction qui est sous forme de trois familles de neutrinos dont la somme des trois masses individuelles est inférieure à 23 eV). Des contraintes ont cependant été établies sur les propriétés de ces particules comme l’ont annoncé les membres de la collaboration Planck l’année dernière.
L’énergie noire reste la composante dominante de l’univers observable aujourd’hui : elle constitue à 69,2 % la masse contenu dans son volumevolume (rappelons que le paramètre décrivant le contenu en énergie noire d’un modèle de cosmologie relativiste standard se note ΩΛ et celui décrivant la matière noire et baryonique Ωm. Leur somme est égal à 1 dans un univers exactement plat).
En combinant les données de Planck avec celle fournies par les observations des supernovae SNSN Ia, il n’a pas été possible de mettre en évidence un comportement de cette énergie noire différent de celui qu’on attendrait d’une vraie constante cosmologiqueconstante cosmologique fournie par exemple par l’énergie du point zéro des champs quantiques. On ne peut donc pas y voir la trace d’une nouvelle physiquephysique, comme celle des champs scalaires émergeant de la supergravité ou de la théorie des cordes. Espérons que les observations que permettront Euclid et le LSST seront moins décevantes à cet égard.
En combinant les mesures de Planck avec les observations des oscillations acoustiques des baryonsbaryons (BAO) on obtient maintenant une extraordinaire limite sur le paramètre décrivant la courbure totale de l’univers observable (Ωk=1-Ωm-ΩΛ). Il ne diffère de la valeur nulle que de 0,005 au maximum. Cela signifie que nous pourrions être dans un univers ayant la forme d’un hypertore et donc avec une géométrie spatiale plate. Les données de Planck n’ont toutefois pas permis de mettre en évidence cette topologie particulière, pas plus que d’autres.
Une nouvelle physique qui se cache mais une cosmologie affermie
En résumé, les observations de Planck sont parfaitement compatibles avec un univers décrit par le modèle cosmologique standardmodèle cosmologique standard et il n’existe aucun signe d’une nouvelle physique, comme par exemple une quatrième famille de neutrinos, des défauts topologiques, à l’exception de la présence de la matière noire et de l’énergie noire.
Il n’en reste pas moins que toutes les informations fournies par Planck ne se limitent pas qu’à l’estimation des paramètres cosmologiques fondamentaux puisqu’elles concernent aussi l’astrophysique de la Voie lactée et des amas de galaxies. Elles constituent donc un héritage important et un affermissement conséquent de la base sur laquelle cosmologistes et astrophysiciens vont continuer à explorer et comprendre l’évolution de la matière cosmique depuis le Big Bang.
La quête des modes B de l’inflation va aussi se poursuivre avec d’autres instruments. Grâce à ses données, la collaboration Planck va d’ailleurs bientôt mettre en ligne un article portant sur les nouvelles contraintes des modèles d’inflation.
