Astronomie : À quoi ressemblait le son des origines de l'univers et quels indices il révèle sur la mystérieuse matière noire ?
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Avant les étoiles ou les planètes, avant les trous noirs et les naines blanches, avant même les atomes ou les faisceaux lumineux, l'Univers résonnait d'une chose étonnante : le son.
Ce bourdonnement primordial se déplaçait à plus de la moitié de la vitesse de la lumière dans un plasma surchauffé de baryons, de photons et de matière noire (les baryons sont une famille de particules subatomiques à laquelle appartiennent les protons et les neutrons).
Le son est né d'un bras de fer entre des forces fondamentales anciennes et puissantes qui ont généré des ondes sonores dans cette soupe de particules chargées électriquement.
Cependant, il est encore possible de percevoir les échos de ces premières ondes sonores qui se sont propagées dans l'Univers primitif, si l'on sait où regarder. Les ondulations qu'elles ont créées dans le plasma ont laissé une empreinte permanente sur la distribution de la matière dans l'Univers.
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Ces ondes fournissent également aux astronomes des indices sur l'un des plus grands mystères de notre univers : la force mystérieuse connue sous le nom d'énergie noire.
Les ondes sonores primordiales, également connues sous le nom d'oscillations acoustiques baryoniques (BAO), se sont formées lorsque les particules de l'Univers primitif ont commencé à être rapprochées par la gravité.
L'attraction gravitationnelle de la matière noire dans l'Univers primitif a créé des "puits de potentiel" qui ont attiré le plasma vers l'intérieur", explique Larissa Santos, professeur au Centre de gravitation et de cosmologie de l'université de Yangzhou, en Chine.
Cependant, le plasma était si chaud qu'il a également créé une force opposée vers l'extérieur. "Les photons ont créé une pression de radiation qui s'est opposée à la gravité et a tout poussé vers l'extérieur. Cette lutte a créé des oscillations acoustiques, des ondes sonores", explique-t-elle.
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Un grondement inaudible
Les BAO ont jailli d'innombrables puits de potentiel, formant des sphères concentriques d'énergie sonore en expansion. Elles s'entrecroisent, sculptant le plasma en motifs d'interférence tridimensionnels d'une complexité éblouissante.
Si un être humain avait existé à l'époque des "oscillations acoustiques baryoniques" (OAB), il n'aurait rien entendu. Les sons étaient environ 47 octaves plus bas que la note la plus grave d'un piano, avec des longueurs d'onde énormes d'environ 450 000 années-lumière.
Ce grondement incroyablement profond et inaudible a traversé un milieu que même nos télescopes les plus puissants ne peuvent pénétrer.
Plus nous nous enfonçons dans l'Univers, plus nous remontons dans son histoire, en raison du temps nécessaire à la lumière pour nous parvenir. Cependant, nous ne pouvons pas voir plus loin, car les charges électriques des protons et des électrons libres dans les premiers stades de l'Univers dispersent et diffusent continuellement la lumière.
Les BAO ont créé des motifs dans ce milieu qui se sont étendus vers l'extérieur, et nous pouvons aujourd'hui en voir la preuve dans l'Univers.
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Le télescope spatial Planck a pu capter les échos des BAO dans l'Univers primitif et les scientifiques ont pu les traduire en fréquences audibles.
Le bourdonnement se compose d'une tonalité grave et d'harmoniques plus aiguës. Le sifflement que l'on peut entendre provient d'un artefact utilisé dans le traitement nécessaire à la création du fichier sonore.
Puis, vers l'âge de 379 000 ans, l'Univers s'est suffisamment refroidi pour que les protons et les électrons s'apparient et forment les premiers atomes d'hydrogène.
Le plasma a disparu, laissant l'Univers soudainement et dramatiquement transparent à la lumière. Au même moment, la bataille entre le rayonnement et la gravitation a pris fin, les BAO ont cessé et l'Univers est devenu silencieux.
L'explosion d'énergie lumineuse qui parcourt aujourd'hui l'Univers était si puissante qu'elle fait encore vibrer les radiotélescopes et fascine les physiciens plus de treize milliards d'années plus tard. Les scientifiques tentent de capter ce signal, connu sous le nom de rayonnement de fond cosmologique, ou CMB.
Le plus ancien témoignage visuel de l'Univers
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Le CMB est l'enregistrement visuel le plus ancien et le plus détaillé des débuts de l'Univers. Ici aussi, les scientifiques peuvent observer un "registre fossile" des premiers sons de l'Univers.
"Nous les voyons imprimés dans le rayonnement de fond des micro-ondes, ainsi que dans la structure à grande échelle de l'Univers", a déclaré Mme Santos, qui participe à un nouveau projet international de radiotélescope visant à analyser les échos modernes de cette chanson longtemps étouffée.
"Ses indices se trouvent dans un petit excès du nombre de paires de galaxies séparées par une échelle fixe de 150 mégaparsecs, soit environ cinq cent millions d'années-lumière", a-t-elle expliqué.
Les signaux BAO ne se contentent pas d'indiquer à quoi ressemblait l'Univers primitif, ils servent aussi à mesurer les effets d'un autre phénomène invisible : l'énergie noire.
L'énergie noire est à l'origine de l'expansion de l'Univers. Ses effets sont omniprésents, mais sa nature est inconnue. L'étude de l'échelle des signaux BAO à différentes distances de la Terre révèle comment les effets de l'énergie noire ont évolué au cours de l'histoire de l'Univers.
"Nous appelons cela la règle standard, explique Larissa Santos. Nous disposons d'une échelle fixe. Nous pouvons dire, par la façon dont elle semble varier, comment l'Univers a évolué au fil du temps."
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Le scientifique fait partie du projet de radiotélescope "BINGO", actuellement en construction dans l'État de Paraíba, dans le nord-est du Brésil. Bingo, qui signifie "BAOs for integrated observations of neutral gases" (observations intégrées de gaz neutres), recherchera des signaux de rayonnement distinctifs provenant de l'hydrogène, l'atome le plus simple, le plus ancien et le plus abondant de l'Univers.
Les atomes d'hydrogène émettent un rayonnement d'une longueur d'onde de 21 centimètres, invisible pour l'œil humain, mais détectable par les radiotélescopes.
Ce rayonnement provenant de nuages d'hydrogène lointains est étiré par l'énergie noire, ce qui augmente sa longueur d'onde observée ici sur Terre.
Plus ce rayonnement a voyagé, plus il est répandu.
"Vous choisissez une fréquence pour votre radiotélescope en fonction de l'époque de l'Univers que vous voulez mesurer", a expliqué Mme Santos.
BINGO est conçu pour cartographier la distribution de l'hydrogène entre un et quatre milliards d'années-lumière, ce qui est relativement récent à l'échelle cosmique de l'espace et du temps.
Les deux imposants miroirs paraboliques de BINGO reflètent ce rayonnement primordial sur une série de 50 détecteurs d'ondes évasées appelés "cornes".
La principale partie mobile du télescope est la planète sur laquelle il repose. La rotation de la Terre déplace le télescope sous les étoiles, balayant une bande de ciel de 15 degrés sur 200 degrés.
Histoire cosmique
Crédit photo, BINGO
À l'aide de calculs statistiques subtils, Mme Santos analysera ses données pour localiser des millions de galaxies, examiner leurs distances relatives les unes par rapport aux autres et étudier comment l'énergie noire a affecté les modèles de BAO à cette époque.
"Bingo s'intéressera à la fin de l'Univers, lorsque l'énergie noire domine déjà l'expansion. Il est très complémentaire d'autres expériences", explique-t-elle.
Nombre de ces autres expériences sont déjà planifiées ou en cours.
"La cartographie de l'intensité de l'hydrogène peut, en principe, mesurer n'importe quel élément de l'Univers, du présent au CMB. C'est un volume énorme à explorer", explique Cynthia Chiang, professeure de physique qui étudie la densité de l'hydrogène à l'université McGill de Montréal, au Canada.
"Bingo et d'autres expériences similaires recherchent le gaz qui vit à l'intérieur des galaxies. C'est un indicateur de l'endroit où se trouve la matière", ajoute-t-elle.
Si les instruments réglés sur des régions relativement proches intéressent Mme Chiang, il souhaite également obtenir des réponses sur le reste de l'histoire cosmique.
"J'ai une approche très gourmande, dit-elle en riant. Je suis en train de mettre en place une expérience réglée sur des fréquences correspondant à l''âge des ténèbres'. Il s'agit de la période qui suit immédiatement la formation du fond diffus micro-ondes. Nous n'avons jamais eu accès à la cosmologie de cette période parce que c'est très, très difficile."
Entre deux cent cinquante et trois cent cinquante millions d'années se sont écoulées entre la "surface de la dernière diffusion", lorsque le plasma baryonique a cédé la place au CMB, et l'"aube cosmique", lorsque les premières étoiles ont brillé.
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Les BAO ont laissé des nuages d'hydrogène agglutinés en faibles traînées, comme une marée laissant des ondulations dans le sable.
Avant de pouvoir accéder au rayonnement de 21 centimètres de cette époque, Mme Chiang doit d'abord concevoir des expériences pour filtrer les signaux plus récents de notre propre galaxie, qui pourraient masquer les données plus anciennes.
"Cette première expérience n'atteindra pas encore la cosmologie, précise-t-il. L'objectif est de cartographier l'émission de la Voie lactée à ces fréquences à très haute résolution, afin de savoir à quoi ressemble le ciel dans un premier temps. Ensuite, avec un peu de chance, nous pourrons faire la soustraction et arriver à la cosmologie."
"Comme son nom l'indique, à l'âge des ténèbres, l'Univers était très sombre et terne. Le signal que l'on obtient alors est une émission presque uniforme à 21 centimètres de ce mur d'hydrogène. Mais il y a de faibles fluctuations dans la luminosité qui correspondent à des surcharges et à des sous-densités. Il y a de petits points chauds et froids."
Selon Mme Chiang, le CMB est comme une photographie qui capture (avec des détails étonnants) un moment crucial de l'évolution cosmologique.
Cependant, la cartographie de la densité de l'hydrogène à l'âge des ténèbres permettrait de saisir les centaines de millions d'années qui ont suivi immédiatement.
"Il s'agit d'un volume tridimensionnel que l'on peut sonder, explique Mme Chiang. Si l'on peut mesurer le même type d'informations que le CMB, mais reflétées dans l'hydrogène, on obtient beaucoup plus d'informations et on peut potentiellement contraindre encore plus les paramètres cosmologiques. Si nous y parvenons, ce sera extraordinaire. Mais nous en sommes encore très loin."
Crédit photo, ESA/NASA/JPL-CALTECH
Les expériences prévues par Mme Chiang, ainsi que le télescope BINGO, s'ajoutent à un ensemble croissant d'instruments d'observation innovants qui permettent de découvrir l'histoire des BAO, la structure à grande échelle de l'Univers et l'énergie noire invisible qui sépare les galaxies.
"Lorsque nous mesurons le ciel, nous mesurons tout, a expliqué Mme Santos. Les CMB, l'hydrogène, les sources ponctuelles de galaxies, toutes ces choses. Nous devrions être en mesure de faire la distinction entre un signal cosmologique et tout le reste."
Mme Santos espère également que les BAO révéleront encore plus de choses sur le passé de l'Univers, en perçant le mur de plasma épais de 379 000 ans et en fournissant des données sur la fraction de seconde précédente : l'époque dite "inflationniste" de l'Univers, au cours de laquelle la plupart des cosmologistes pensent que l'espace s'est dilaté plus rapidement que la vitesse de la lumière.
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L'inflation cosmologique est une théorie largement répandue, qui explique comment notre Univers est passé de son état initial, petit, chaud et dense, au cosmos que nous voyons aujourd'hui.
Cette théorie a connu de nombreuses incarnations, variations et simulations. Elle permet de nombreuses prédictions solides qui ont été testées et vérifiées, mais il n'existe aucune preuve directe.
"Nos observations ont déjà permis d'écarter de nombreuses théories inflationnistes", a déclaré Mme Santos, ajoutant : "Avec les mesures que nous voulons effectuer, nous pouvons déterminer les théories qui correspondent le mieux à ces mesures et partir de là."
Les oscillations acoustiques baryoniques n'ont existé que pendant quelques centaines de milliers d'années, mais elles ont contribué à créer (et aident les scientifiques à déchiffrer) l'histoire de l'Univers invisible, de son premier à son dernier instant.
