Bien avant que la lumière des étoiles ne remplisse le cosmos pour la première fois, le jeune univers était peut-être en train de mijoter, selon une nouvelle étude.
Les résultats suggèrent qu’environ 800 millions d’années après le Big Bang, l’énergie des nouveaux trous noirs et des braises décolorées des premières étoiles réchauffait déjà de vastes nuages d’hydrogène intergalactique, offrant un rare aperçu d’un chapitre largement inexploré de la jeunesse de l’univers.
Les astronomes savent que l’univers a commencé dans un état extrêmement chaud et dense, le Big Bangil y a environ 13,8 milliards d’années, puis s’est refroidi rapidement à mesure de son expansion. Environ 400 000 ans plus tard, les températures ont suffisamment baissé pour que les protons et les électrons fusionnent en atomes d’hydrogène neutres, et le cosmos a glissé dans l’espace. « Les âges sombres cosmiques » – une longue étendue sans lumière où l’espace était voilé par un épais brouillard d’hydrogène gazeux.
Les échos de l’univers
Parce que l’observation directe des premières étoiles de l’univers n’est pas possible – elles étaient trop faibles, de durée de vie trop courte et beaucoup trop éloignées pour que même les télescopes les plus puissants puissent les détecter – les astronomes recherchent plutôt les empreintes digitales subtiles que ces étoiles ont laissées dans l’hydrogène gazeux qui les entourait.
Dans la nouvelle étude, Nunhokee et son équipe ont analysé près d’une décennie de données provenant du Murchison Widefield Array, un puissant radiotélescope situé dans le désert isolé d’Australie occidentale, pour rechercher un faible « murmure » radio provenant de cet ancien hydrogène.
Le signal apparaît lorsque le seul proton et l’électron d’un atome d’hydrogène inversent leurs spins l’un par rapport à l’autre – un changement infime qui modifie l’énergie de l’atome et l’amène à émettre ou à absorber un photon à une longueur d’onde spécifique. Les astronomes recherchent le faible écho radio de cette transition, qui apparaît à une longueur d’onde de 21 centimètres – soit, pour nos instruments, une fréquence d’environ 1,42 gigahertz. Parce que la force du signal est affectée par la température et l’environnement de l’hydrogène gazeux environnant, il agit comme un thermomètre cosmique, révélant comment les premières étoiles et trous noirs ont commencé à influencer l’univers primitif.
Cependant, détecter cet ancien signal est extrêmement difficile. Il est enfoui sous des couches de bruit radio beaucoup plus intenses provenant de la Voie lactée, d’autres galaxies proches, de l’atmosphère terrestre et même du télescope lui-même. Pour le découvrir, l’équipe a développé une nouvelle technique de filtrage statistique pour éliminer ces signaux de premier plan et isoler l’émission la plus probable d’hydrogène gazeux datant d’environ 800 millions d’années après le Big Bang.
Cette nouvelle approche a produit la carte radio la plus claire jamais réalisée du premier univers et a fixé les limites les plus strictes jusqu’à présent sur la force du signal de 21 centimètres, a noté l’équipe dans l’étude.
Bien qu’elle se soit concentrée sur ce que Nunhokee a décrit comme « une sorte de période froide où nous ne disposons que de quelques sources » et qu’elle ait utilisé « les meilleures données dont nous disposons », l’équipe n’a trouvé aucune preuve de ce signal révélateur. « Parce que c’est très faible, c’est très dur », a-t-elle déclaré.
Après avoir nettoyé les données, les chercheurs n’ont pas vu la signature distinctive qui indiquerait un « démarrage à froid » de la réionisation. Cette caractéristique aurait été visible dans leurs données si l’univers, environ 800 millions d’années après le Big Bang, était resté glacial jusqu’à l’allumage des premières étoiles. Le résultat suggère donc que l’univers était plus chaud que prévu, selon l’étude.
« À mesure que l’univers évolue, le gaz entre les galaxies se dilate et se refroidit, nous nous attendons donc à ce qu’il fasse très, très froid », a déclaré l’auteur principal de l’étude. Cathryn Trottprofesseur à l’Institut Curtin de radioastronomie, a déclaré dans un déclaration. « Nos mesures montrent qu’il est au moins chauffé dans une certaine mesure. Pas beaucoup, mais cela nous indique qu’une réionisation très froide est exclue – c’est vraiment intéressant. »
Les modèles cosmologiques indiquent que les rayons X des premiers trous noirs et les restes d’étoiles massives sont probablement responsables du réchauffement du gaz intergalactique bien avant que la lumière visible des étoiles ne remplisse le cosmos, a déclaré Nunhokee.
La nouvelle technique de nettoyage des données de l’équipe jette également les bases cruciales du prochain Square Kilometer Array (SKA). Les scientifiques affirment que ce radiotélescope de nouvelle génération, actuellement en construction en Australie et en Afrique du Sud, aura la sensibilité nécessaire pour détecter directement le signal insaisissable de 21 centimètres.
« Nous savons ce que nous recherchons », a déclaré Nunhokee. « Nous avons juste besoin de quelques heures de données (de SKA) qui nous permettront d’atteindre les niveaux que nous souhaitons. »
