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Trimestriel La Recherche : « lumière et matière », disponible chez les marchands de journaux et dans les librairies

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Trimestriel La Recherche : « lumière et matière », disponible chez les marchands de journaux et dans les librairies

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Retrouvez également le trimestriel La Recherche sur le site du mook.

Suivons le destin d’un photon – une particule de lumière –, né dans le cœur du Soleil, lors d’une réaction de fusion nucléaire. La densité est d’abord si élevée que celui-ci a du mal à avancer, entrant en collision permanente avec les autres particules. Cette marche aléatoire du photon dure de l’ordre du million d’années. Elle se termine quand il parvient dans la zone convective de notre étoile, où il ne lui faut plus qu’une dizaine de jours pour remonter à la surface solaire.

Pas étonnant que la nuit soit noire…

Un voyage de 8 minutes entre le Soleil et la Terre, et le voilà absorbé par notre œil ou par un détecteur. L’analyse de telles particules en provenance du Soleil et d’étoiles a permis de comprendre les vibrations qui se produisent en leur sein et de déduire leur structure interne (lire p. 72). Au cours des milliards d’années de l’histoire cosmique, on estime que l’ensemble des étoiles de l’Univers observable a créé 4×1084 photons (1). Bien que très nombreux, ils ne représentent aujourd’hui qu’une minuscule fraction de la densité d’énergie du cosmos. D’ailleurs, dans notre vaste Univers, la lueur de toutes les étoiles de toutes les galaxies – si l’on soustrait la lumière de la Voie lactée et du Soleil – équivaut à celle d’une ampoule de 60 watts vue d’une distance de 4 kilomètres. Pas étonnant que la nuit soit noire…

« L’ère des photons »

Il existe toutefois une époque où la lumière dominait : « l’ère des photons », décrite par Steven Weinberg, Prix Nobel de physique 1979 – décédé en 2021 –, dans son livre Les Trois Premières Minutes de l’Univers (Seuil, 1978). Elle débute 10 secondes après le Big Bang, ce jaillissement colossal d’énergie qui a eu lieu il y a près de 14 milliards d’années. L’Univers est alors un fluide chaud de photons, protons, neutrons et électrons. La température y est tellement élevée que tout s’entrechoque avec violence, au point que les réactions de fusion nucléaire ne peuvent pas se produire !

Après une minute, protons et neutrons s’associent pour former les premiers noyaux atomiques, essentiellement de l’hydrogène et de l’hélium, mais aussi du lithium et du béryllium. Cette nucléosynthèse primordiale crée les premiers noyaux de matière. Toutefois, l’ensemble est encore très dense et les photons restent prisonniers. Tout change 380.000 ans plus tard : l’Univers en expansion est devenu suffisamment froid pour que les électrons et les noyaux de la nucléosynthèse se combinent. C’est la création des premiers atomes neutres. Interagissant moins souvent avec la matière, la lumière peut enfin s’échapper de cette gangue opaque, donnant lieu à un rayonnement. C’est la première lumière visible du cosmos ! Baptisée fond diffus cosmologique, elle conserve la trace du passé de l’Univers. Du comportement des étoiles et des galaxies à l’histoire de notre monde, les photons ont beaucoup à nous apprendre.

(1) Collaboration Fermi-Lat, Science, 362, 1031, 2018.

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