Crédit d'image: NASA
Les astronomes qui veulent étudier le premier univers sont confrontés à un problème fondamental. Comment observez-vous ce qui existait durant les «âges sombres» avant que les premières étoiles ne se forment pour l'éclairer? Les théoriciens Abraham Loeb et Matias Zaldarriaga (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics) ont trouvé une solution. Ils ont calculé que les astronomes peuvent détecter les premiers atomes du premier univers en recherchant les ombres qu'ils projettent.
Pour voir les ombres, un observateur doit étudier le fond cosmique micro-ondes (CMB) - le rayonnement laissé par l'ère de la recombinaison. Lorsque l'univers avait environ 370 000 ans, il s'est suffisamment refroidi pour que les électrons et les protons s'unissent, se recombinant en atomes d'hydrogène neutres et permettant au rayonnement relique CMB du Big Bang de voyager presque sans entrave à travers le cosmos au cours des 13 derniers milliards d'années.
Au fil du temps, certains des photons CMB ont rencontré des amas d'hydrogène gazeux et ont été absorbés. En recherchant des régions avec moins de photons - des régions qui sont ombragées par l'hydrogène - les astronomes peuvent déterminer la distribution de la matière dans l'univers très précoce.
"Il y a une énorme quantité d'informations imprimées sur le ciel micro-ondes qui pourrait nous renseigner sur les conditions initiales de l'univers avec une précision exquise", a déclaré Loeb.
Inflation et matière noire
Pour absorber les photons CMB, la température de l'hydrogène (en particulier sa température d'excitation) doit être inférieure à la température du rayonnement CMB - des conditions qui n'existaient que lorsque l'univers avait entre 20 et 100 millions d'années (âge de l'Univers: 13,7 milliards d'années). Par coïncidence, c'est aussi bien avant la formation d'étoiles ou de galaxies, ouvrant une fenêtre unique sur les soi-disant «âges sombres».
L'étude des ombres CMB permet également aux astronomes d'observer des structures beaucoup plus petites que ce qui était possible auparavant en utilisant des instruments comme le satellite Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP). La technique de l'ombre peut détecter des amas d'hydrogène aussi petits que 30 000 années-lumière dans l'univers actuel, ou l'équivalent de seulement 300 années-lumière dans l'univers primordial. (L'échelle s'est agrandie au fur et à mesure que l'univers s'est étendu.) Une telle résolution est un facteur 1000 fois meilleur que la résolution de WMAP.
«Cette méthode offre une fenêtre sur la physique du tout premier univers, à savoir l'époque de l'inflation pendant laquelle les fluctuations de la distribution de la matière auraient été produites. De plus, nous pourrions déterminer si les neutrinos ou un type de particule inconnu contribuent substantiellement à la quantité de «matière noire» dans l’univers. Ces questions - ce qui s'est passé à l'époque de l'inflation et ce qui est de la matière noire - sont des problèmes clés de la cosmologie moderne dont les réponses fourniront des informations fondamentales sur la nature de l'univers », a déclaré Loeb.
Un défi d'observation
Les atomes d'hydrogène absorbent les photons CMB à une longueur d'onde spécifique de 21 centimètres (8 pouces). L'expansion de l'univers étire la longueur d'onde dans un phénomène appelé redshifting (car une longueur d'onde plus longue est plus rouge). Par conséquent, pour observer l'absorption à 21 cm du premier univers, les astronomes doivent regarder des longueurs d'onde plus longues de 6 à 21 mètres (20 à 70 pieds), dans la partie radio du spectre électromagnétique.
L'observation des ombres CMB aux longueurs d'onde radio sera difficile en raison des interférences des sources du ciel au premier plan. Pour recueillir des données précises, les astronomes devront utiliser la prochaine génération de radiotélescopes, tels que le tableau basse fréquence (LOFAR) et le tableau kilométrique carré (SKA). Bien que les observations soient un défi, le gain potentiel est grand.
«Il y a une mine d'or d'informations qui attendent d'être extraites. Bien que sa détection complète puisse être un défi expérimental, il est gratifiant de savoir qu'elle existe et que nous pouvons essayer de la mesurer dans un proche avenir », a déclaré Loeb.
Cette recherche sera publiée dans un prochain numéro de Physical Review Letters et est actuellement disponible en ligne à http://arxiv.org/abs/astro-ph/0312134.
Basé à Cambridge, dans le Massachusetts, le Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics est une collaboration conjointe entre le Smithsonian Astrophysical Observatory et le Harvard College Observatory. Les scientifiques du CfA, organisés en six divisions de recherche, étudient l'origine, l'évolution et le destin ultime de l'univers.
Source d'origine: communiqué de presse de Harvard CfA
