Avec le temps allant de droite à gauche, cette visualisation montre la formation des premières étoiles à partir d'une brume d'hydrogène neutre après l'aube cosmique de l'univers.
(Image: © NASA / STScI)
Paul Sutter est astrophysicien à l'Ohio State University et scientifique en chef au COSI science center. Sutter est également l'hôte de Ask a Spaceman et Space Radio, et dirige AstroTours à travers le monde. Sutter a contribué cet article à Expert Voices: Op-Ed & Insights de Space.com.
La plus grande révélation des cent dernières années d'étude de l'univers est peut-être que notre maison change et évolue avec le temps. Et pas seulement de manière mineure et insignifiante comme des étoiles qui se déplacent, des nuages de gaz se compressant et des étoiles massives mourant dans des explosions cataclysmiques. Non, notre cosmos tout entier a changé son caractère fondamental plus d'une fois dans un passé lointain, modifiant complètement son état interne à l'échelle mondiale - c'est-à-dire universelle.
Prenons, par exemple, le fait qu'à un moment donné dans le passé brumeux et méconnu, il n'y avait pas d'étoiles.
Avant la première lumière
Nous connaissons ce simple fait en raison de l'existence du fond micro-onde cosmique (CMB), un bain de rayonnement faible mais persistant qui imprègne l'univers entier. Si vous rencontrez un photon aléatoire (un peu de lumière), il y a de fortes chances qu'il provienne du CMB - cette lumière absorbe plus de 99,99% de tout le rayonnement de l'univers. C'est une relique restante de l'époque où l'univers n'avait que 270 000 ans et est passée d'un plasma chaud et bouillonnant à une soupe neutre (sans charge positive ou négative). Cette transition a libéré un rayonnement chauffé à blanc qui, au cours de 13,8 milliards d'années, s'est refroidi et s'est étendu dans les micro-ondes, nous donnant la lumière de fond que nous pouvons détecter aujourd'hui. [Contexte des micro-ondes cosmiques: Explication de la relique du Big Bang (infographie)]
Au moment de la sortie du CMB, l'univers était environ un millionième de son volume actuel et des milliers de degrés plus chauds. Il était également presque entièrement uniforme, avec des différences de densité ne dépassant pas 1 partie sur 100 000.
Donc, pas exactement un état où les étoiles pourraient exister avec bonheur.
Les âges sombres
Dans les millions d'années qui ont suivi la sortie du CMB (affectueusement appelé "recombinaison" dans les cercles d'astronomie, en raison d'un malentendu historique d'époques encore plus anciennes), l'univers était dans un état étrange. Il y avait un bain persistant de rayonnement chauffé à blanc, mais ce rayonnement se refroidissait rapidement alors que l'univers continuait son expansion inexorable. Il y avait bien sûr de la matière noire qui traînait dans ses propres affaires. Et il y avait le gaz maintenant neutre, presque entièrement de l'hydrogène et de l'hélium, enfin libéré de ses luttes contre les radiations et libre de faire ce qu'il voulait.
Et ce qu'il faisait plaisir, c'était de passer le plus de temps possible avec lui-même. Heureusement, cela n'a pas dû travailler très dur: dans l'univers extrêmement précoce, les fluctuations microscopiques quantiques se sont agrandies pour devenir de petites différences de densité (et pourquoi cela s'est produit est une histoire pour un autre jour). Ces minuscules différences de densité n'ont pas affecté la plus grande expansion cosmologique, mais elles ont eu un impact sur la vie de cet hydrogène neutre. N'importe quel patch qui était légèrement plus dense que la moyenne - même par un tout petit peu - avait une attraction gravitationnelle légèrement plus forte sur ses voisins. Cette traction accrue a encouragé plus de gaz à rejoindre le parti, ce qui a amplifié le remorqueur gravitationnel, ce qui a encouragé encore plus de voisins, etc.
Comme de la musique forte lors d'une fête à la maison agissant comme une chanson de sirène pour encourager plus de fêtards, au cours de millions d'années, le gaz riche s'est enrichi et le gaz pauvre s'est appauvri. Par simple gravité, de minuscules différences de densité se sont creusées, créant les premières agglomérations massives de matière et vidant leur environnement.
L'aube cosmique se brise
Quelque part, quelque part, un morceau d'hydrogène neutre a eu de la chance. Empilant des couches sur des couches écrasantes sur lui-même, le cœur le plus intérieur a atteint une température et une densité critiques, forçant les noyaux atomiques ensemble dans un modèle compliqué, s'enflammant dans la fusion nucléaire et convertissant la matière première en hélium. Ce processus féroce a également libéré un peu d'énergie, et en un éclair la première étoile est née.
Pour la première fois depuis la première douzaine de minutes du Big Bang, des réactions nucléaires ont eu lieu dans notre univers. De nouvelles sources de lumière, parsemant le cosmos, ont inondé les vides autrefois vides de rayonnement. Mais nous ne savons pas exactement quand cet événement capital s'est produit; les observations de cette époque sont extrêmement difficiles. D'une part, les vastes distances cosmologiques empêchent même nos télescopes les plus puissants d'observer cette première lumière. Ce qui aggrave, c'est que le premier univers était presque entièrement neutre, et le gaz neutre n'émet pas beaucoup de lumière en premier lieu. Ce n'est que lorsque plusieurs générations d'étoiles se collent les unes aux autres pour former des galaxies que nous pouvons même avoir un faible indice de cet âge important.
Nous soupçonnons que les premières étoiles se sont formées quelque part au cours des premières centaines de millions d'années de l'univers. Ce n'est pas beaucoup plus tard que nous avons des observations directes de galaxies, de noyaux galactiques actifs et même des débuts d'amas de galaxies - les structures les plus massives qui surgissent finalement dans l'univers. Quelque temps avant eux, les premières étoiles devaient arriver, mais pas trop tôt, car les conditions mouvementées de l'univers infantile auraient empêché leur formation.
Au-dessus de l'horizon
Bien que le prochain télescope spatial James Webb puisse localiser les premières galaxies avec une excellente précision, offrant une multitude de données sur le premier univers, le champ de vision étroit du télescope ne nous donnera pas l'image complète de cette époque. Les scientifiques espèrent que certaines des premières galaxies pourraient contenir des restes des toutes premières étoiles - ou même les étoiles elles-mêmes - mais nous devrons attendre et (littéralement) voir.
L'autre façon de débloquer l'aube cosmique est à travers une bizarrerie surprenante d'hydrogène neutre. Lorsque les tours quantiques de l'électron et du proton basculent de manière aléatoire, l'hydrogène émet un rayonnement d'une longueur d'onde très spécifique: 21 centimètres. Ce rayonnement nous permet de cartographier des poches d'hydrogène neutre dans notre Voie lactée moderne, mais les distances extrêmes jusqu'à l'ère de l'aube cosmique posent un tout autre défi.
Le problème est que l'univers s'est étendu depuis cette ère morte depuis longtemps, ce qui fait que tous les rayonnements intergalactiques s'étendent sur des longueurs d'onde plus longues. De nos jours, ce signal d'hydrogène neutre primordial a une longueur d'onde d'environ 2 mètres, plaçant fermement le signal dans les bandes radio. Et bien d'autres choses dans l'univers - supernovas, champs magnétiques galactiques, satellites - sont assez fortes à ces mêmes fréquences, obscurcissant le faible signal des premières années de l'univers.
Plusieurs missions à travers le monde tentent de comprendre ce signal juteux de l'aube cosmique, de creuser son chuchotement primordial dans la cacophonie actuelle et de révéler la naissance des premières étoiles. Mais pour l'instant, nous devrons simplement attendre et écouter.
En savoir plus en écoutant l'épisode "Qu'est-ce qui a réveillé l'aube cosmique?" sur le podcast Ask A Spaceman, disponible sur iTunes et sur le Web à http://www.askaspaceman.com. Merci à Joyce S. pour les questions qui ont mené à cette pièce! Posez votre propre question sur Twitter en utilisant #AskASpaceman ou en suivant Paul @ PaulMattSutter et facebook.com/PaulMattSutter. Suivez-nous @Spacedotcom, Facebook et Google+. Article original sur Space.com.
