L’aube cosmique contient les réponses à bon nombre des plus grandes questions de l’astronomie

Grâce aux télescopes les plus avancés, les astronomes peuvent aujourd’hui voir à quoi ressemblaient les objets il y a 13 milliards d’années, environ 800 millions d’années après le Big Bang. Malheureusement, ils sont toujours incapables de percer le voile de l’âge des ténèbres cosmique, une période qui a duré 370 000 à 1 milliard d’années après le Big Bang, où l’Univers était recouvert d’hydrogène neutre qui obscurcissait la lumière. Pour cette raison, nos télescopes ne peuvent pas voir quand les premières étoiles et galaxies se sont formées, env. 100 à 500 millions d’années après le Big Bang.

Cette période est connue sous le nom d’Aube cosmique et représente la « dernière frontière » des études cosmologiques pour les astronomes. En novembre, le télescope spatial James Webb (JWST) de nouvelle génération de la NASA sera enfin lancé dans l’espace. Grâce à sa sensibilité et à son optique infrarouge avancée, Webb sera le premier observatoire capable d’assister à la naissance des galaxies. Selon une nouvelle étude de l’Université de Genève, en Suisse, la capacité de voir l’aube cosmique apportera des réponses aux plus grands mystères cosmologiques d’aujourd’hui.

La recherche a été dirigée par le Dr Hamsa Padmanabhan, physicienne théorique et collaboratrice scientifique II à l’Université de Genève. Elle est également la chercheuse principale du Fonds national suisse de la recherche scientifique (FNS) et a reçu la bourse Ambizione 2017 (financement de recherche fourni par le FNS) pour son projet indépendant, intitulé “Sonder l’univers : à travers la réionisation et au-delà. “

Pour les astronomes et cosmologues d’aujourd’hui, la capacité d’observer l’aube cosmique représente une opportunité de répondre aux mystères cosmiques les plus durables. Alors que la plus ancienne lumière de l’Univers est encore visible aujourd’hui sous le nom de fond diffus cosmologique (CMB), ce qui a suivi peu de temps après (et jusqu’à environ un milliard d’années après le Big Bang) a historiquement été invisible pour nos anciens instruments avancés.

Cela a gardé les esprits scientifiques dans l’ignorance (sans jeu de mots !) sur plusieurs questions cosmologiques importantes. Non seulement les premières étoiles et galaxies se sont formées au cours du “Moyen Âge”, apportant progressivement la lumière à l’Univers, mais c’est aussi à cette époque qu’a eu lieu la “Réionisation Cosmique”. Cette période de transition est celle où l’on pense que presque tout le gaz neutre qui a pénétré l’Univers a été converti en protons et en électrons (également appelés baryons) qui composent toute la matière « normale ».

Malheureusement, les astronomes n’ont pas pu étudier cette période de l’histoire cosmique. Une grande partie du problème provient de la façon dont la lumière de cette époque s’est déplacée vers le rouge au point où elle est visible dans une partie du spectre radio inaccessible aux instruments d’aujourd’hui (la ligne de transition de 21 cm). Mais comme le Dr Padmanabhan l’a expliqué à Universe Today par e-mail, ce n’est pas le seul obstacle à l’étude de l’Univers primitif :

“Cette période nous a jusqu’à présent échappé aux observations en raison du haut niveau de sensibilité requis pour effectuer une détection de l’émission, combiné au défi de détecter le signal extrêmement faible (qui provient de l’hydrogène gazeux présent dans l’Univers primitif) dans le présence d’émission de premier plan (principalement de notre propre galaxie) qui est d’environ 4 à 5 ordres de grandeur plus grande que le signal que nous voulons mesurer. »

En étudiant les premières étoiles et galaxies en formation, les astronomes pourront voir d’où vient 90 % de la matière baryonique (également appelée « lumineuse » ou « normale ») dans l’Univers et comment elle a évolué vers le cosmos à grande échelle. structures que nous connaissons. voir aujourd’hui. La capacité de modéliser l’évolution de l’Univers de cette période à aujourd’hui offre également l’opportunité de voir directement l’influence de la matière noire et de l’énergie noire.

À partir de là, les scientifiques évalueront différents modèles cosmologiques, dont le plus accepté est le modèle Lambda-Cold Dark Matter (LCDM). Le Dr Padmanabhan a déclaré :

“L’accès à cette époque représente également un énorme bond dans le contenu de nos informations cosmologiques. C’est parce qu’il contient au moins 10 000 à 100 000 fois plus d’informations que ce qui est actuellement disponible dans toutes nos études de galaxies jusqu’à présent. ainsi que ce que nous obtenons. de Cosmic Microwave Background Radiation (CMB). C’est essentiellement le plus grand ensemble de données que nous pourrions espérer avoir pour tester nos modèles physiques ! Nous pouvons explorer un ensemble de modèles physiques fascinants au-delà de notre modèle standard de cosmologie “.

Ceux-ci incluent des modèles qui impliquent des versions non standard de la matière noire (c’est-à-dire « matière noire chaude »), des versions modifiées de la gravité et des théories de l’inflation qui n’impliquent pas l’énergie noire : la dynamique newtonienne modifiée (MOND). Essentiellement, les scientifiques pourront voir la gravité et l’expansion cosmique dès le début (quelques milliardièmes de seconde après le Big Bang). Depuis des années, la communauté astronomique attend avec impatience le jour où le James Webb sera enfin lancé dans l’espace.

Une grande partie de son enthousiasme provient du fait que l’optique infrarouge avancée et la haute sensibilité de l’observatoire lui permettront d’observer les premières galaxies alors qu’elles sont encore en formation. Normalement, la lumière des galaxies serait obscurcie par tout le gaz et la poussière interstellaires et intergalactiques entre elles et la Terre. Avec les instruments existants et de prochaine génération, dit le Dr Padmanabhan, ces galaxies seront observables pour la première fois :

“Des missions comme JWST seront capables de détecter des galaxies extrêmement faibles qui se sont formées lorsque l’Univers n’était qu’un dixième de sa taille actuelle. Combiné avec des études radio telles que le [Square Kilometer Array] SKA, cela nous fournira une image complète des premières sources lumineuses et de leur développement à travers le temps cosmique. JWST fournit des études approfondies, similaires à un « poutre crayon », dont le champ de vision total est de l’ordre de plusieurs minutes d’arc carré, vous n’accéderez donc pas aux échelles cosmologiques, mais améliorerez considérablement notre compréhension des processus physiques qui ont contribué à la réionisation”.

“ALMA détecte désormais systématiquement les galaxies dans leur émission de raie submillimétrique, sous forme de carbone ionisé individuellement, [CII] et de l’oxygène doublement ionisé, [OIII], qui sont des sondes de réionisation très intéressantes. La prochaine expérience COMAP-Epoch of Reionization, dont je fais partie, prévoit d’accéder à l’émission de la ligne de monoxyde de carbone (CO) autour des stades moyens à tardifs de la réionisation, qui est un excellent traceur de la formation d’étoiles. . Les gros plans ne sont pas un problème si grave pour les lignes submillimétriques. »

C’est ce qu’on appelle l’approche de messagerie multiple, où les signaux lumineux de différents instruments et à différentes longueurs d’onde sont combinés. Lorsqu’elle est appliquée à l’aube cosmique, explique le Dr Padmanabhan, cette approche est l’outil le plus prometteur pour obtenir des informations sur l’Univers. Plus précisément, la détection des ondes gravitationnelles des premiers trous noirs supermassifs révélera comment ces forces primordiales de la nature ont influencé l’évolution galactique.

“En combinant cela avec la connaissance de l’évolution du gaz et des galaxies que nous obtenons des études électromagnétiques, cela nous donnera une image complète de Cosmic Dawn”, a-t-il déclaré. « Il sera crucial pour répondre à une question importante en cosmologie et en astrophysique : comment se sont formés les premiers trous noirs et quelle a été leur contribution à la réionisation ?

La possibilité de monter des campagnes multi-messages qui combinent des signaux infrarouges hautement sensibles avec des signaux radio est l’une des nombreuses façons dont l’astronomie progresse si rapidement. En plus d’instruments plus sophistiqués, les astronomes bénéficieront également de méthodes améliorées, de techniques d’apprentissage automatique plus sophistiquées et d’opportunités de recherche collaborative.

Enfin et surtout, la capacité de combiner des signaux provenant de différentes matrices (et à différentes longueurs d’onde d’énergie électromagnétique) a déjà créé de nouvelles opportunités pour des campagnes d’imagerie sophistiquées. Un bon exemple en est le projet Event Horizon Telescope (EHT), qui s’appuie sur 10 radiotélescopes à travers le monde pour collecter la lumière de SMBH (comme notre propre Sagittarius A *). En 2019, l’EHT a pris la première image d’une SMBH ; dans ce cas, celui trouvé dans le noyau M87 (la galaxie elliptique supergéante Vierge A).

Les opportunités de recherche de pointe abonderont dans un avenir proche, et les découvertes que nous pourrons faire seront tout simplement révolutionnaires. Bien qu’il y ait forcément des revers en cours de route et d’autres mystères à résoudre, une chose est sûre : l’avenir de l’astronomie sera une période très excitante !