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Des astronomes détectent les traces laissées par les premières étoiles!

01-03-2018

Image: vue d’artiste des premières étoiles ©N.R.Fuller, National Science Foundation

Quand sont apparues les premières étoiles? Peut-on détecter leur empreinte, venue du fin fond du cosmos? C’est ce qu’ont réussi à faire des astronomes américains, menés par Judd Bowman (université d’Arizona), en utilisant un petit radiotélescope situé en Australie, au Murchison Radio-Astronomy Observatory. Une découverte publiée dans Nature qui pourrait, entre autres, jeter un nouvel éclairage sur la matière noire, cette masse invisible et introuvable qui cause bien des maux de tête aux chercheurs.

Pour comprendre, il faut savoir qu’après le big bang, notre Univers ressemblait à une soupe de parti­cules dense et chaude. Si dense, que la lumière ne pouvait pas y circuler; l’opacité est restée totale pendant des centaines de milliers d’années. En prenant de l’expansion et en se refroidissant, l’Univers a commencé peu à peu à se structurer. Les premiers atomes se sont formés; puis, longtemps après, les premières étoiles, nées de l’agglutination de matière par gravité.

Les physiciens pensent que ces étoiles primordiales, principalement constituées d’hydrogène et d’hélium, émettaient une lumière ultraviolette, qui a interagi avec les atomes d’hydrogène alors présents dans le cosmos. Plus précisément, les rayons UV ont altéré les propriétés physiques de certains atomes d’hydrogène (leur état d’excitation). Le gaz a alors absorbé, dans une certaine longueur d’ondes (21 cm précisément), la lumière issue du fond cosmologique diffus, la première « lueur » qui a émergé de la soupe cosmique initiale. Les étoiles ont donc, en quelque sorte, laissé leur trace dans le gaz environnant.

C’est cette trace – « étirée » et modifiée par l’expansion de l’Univers – que les astronomes ont réussi à déceler, après 10 ans de recherche, grâce à une toute petite antenne de radioastronomie – qui ne paie franchement pas de mine (voir ci-dessous).


Image: CSIRO

Un signal quasi indétectable

Début 2016, l’équipe a repéré un signal infiniment faible, autour de 100 megahertz, qui a retenu son attention. Les chercheurs ont fait d’innombrables vérifications pour s’assurer qu’il ne s’agissait pas d’un artefact. Tout un défi! « Les signaux parasites (NDLR : émis par la galaxie, entre autres) pouvaient être mille fois plus intenses que le signal que nous cherchions. Cela revenait à entendre le battement d’ailes d’un colibri au milieu d’un ouragan », a expliqué dans un communiqué du MIT Peter Kurczynski, de la National Science Foundation, qui a financé cette expérience appelée EDGES.

Vérification faite, le signal était bien celui de l’hydrogène « marqué » par la lumière des premières étoiles. Les chercheurs ont déterminé que celles-ci avaient commencé à briller 180 millions d’années après le big bang.

À leur grande surprise, le signal, bien qu’infime, était deux fois plus important que ce qui était prévu par la théorie. Dans un second article publié dans Nature, les scientifiques interprètent cette anomalie par le fait que l’Univers était alors plus froid que ce qu’on pensait. Pourquoi s’est-il refroidi si vite? Peut-être parce qu’il a interagi avec quelque chose de très froid, encore plus froid que ce gaz primordial… Seule option, écrivent-ils dans leur article : la matière noire.

Si leurs résultats sont confirmés par d’autres mesures, effectuées par d’autres radiotélescopes, ils pourraient bien révolutionner la physique théorique. Rien de moins.


Image: Représentation de l’histoire de l’Univers, du Big Bang à nos jours, mise à jour avec la découverte sur les premières étoiles. (Crédit: NSF)

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