Demandez à Ethan: Pourquoi les âges sombres de l'univers ont-ils duré si longtemps?

Au moment du Big Bang, l'Univers était rempli de matière et de rayonnement, mais il n'y avait pas d'étoiles. Avec l'expansion et le refroidissement, les protons et les neutrons se sont formés dans la première fraction de seconde, les noyaux atomiques se sont formés au cours des 3-4 premières minutes et les atomes neutres se sont formés au cours des 380 000 premières années. Après encore 50-100 millions d'années, les premières étoiles se sont formées. Mais l'Univers est resté sombre, et les observateurs, s'il y en avait, ne pouvaient rien voir jusqu'au moment qui arriva environ 550 millions d'années après le Big Bang. Pourquoi est-ce arrivé? Notre lecteur est intéressé par:

Ce qui m'intéresse, c'est pourquoi l'âge des ténèbres a-t-il duré des centaines de millions d'années? Il me semblait qu'ils auraient dû durer au moins un ordre de grandeur de moins.

La formation d'étoiles et de galaxies est une étape énorme pour créer de la lumière, mais cela ne suffit pas pour mettre fin à l'âge des ténèbres. Et voici pourquoi.


L'univers primitif était rempli de matière et de rayonnement, et était si chaud et dense qu'il empêchait les protons et les neutrons stables d'apparaître dans la première fraction de seconde. Après leur apparition et leur annihilation de l'antimatière, nous nous sommes retrouvés avec une mer de matière et de rayonnement sur nos mains, fouinant ça et là à des vitesses proches de la lumière.

Imaginez l'Univers tel qu'il était juste quelques minutes après la naissance: avant la formation d'atomes neutres. L'espace est rempli de protons, de noyaux légers, d'électrons, de neutrinos et de radiations. À ce stade précoce, trois choses importantes se produisent:

1. L'Univers est très homogène en ce qui concerne la quantité de matière n'importe où, et les zones les plus denses diffèrent de quelques centièmes de fraction de densité des moins denses.
2. La gravité rassemble activement la matière et, dans les régions plus denses, il existe une force d'attraction supplémentaire.
3. Le rayonnement, en grande partie sous forme de photons, repousse la matière, résistant à la gravité.

Tant que nous avons un rayonnement suffisamment énergétique, il empêche la formation d'atomes neutres stables. Ce n'est que lorsque l'expansion de l'Univers refroidit le rayonnement suffisamment fortement que les atomes neutres cessent de subir une réionisation immédiate.


Dans le premier univers chaud, avant la formation d'atomes neutres, les photons se dispersent à partir des électrons (et, dans une moindre mesure, des protons) à une vitesse très élevée, transférant une impulsion dans le processus. Après la formation d'atomes neutres, les photons se déplacent simplement en ligne droite.

Après cela, 380 000 ans après l'apparition de l'Univers, ce rayonnement (pour la plupart des photons) se propage simplement librement dans la même direction dans laquelle ils sont allés en dernier, à travers la matière désormais neutre. 13,8 milliards d'années plus tard, nous observons cette lueur résiduelle du Big Bang sous forme de rayonnement relique. Aujourd'hui, il s'agit d'un rayonnement micro-ondes de fond, car les longueurs d'onde sont étirées en raison de l'expansion de l'univers. Plus important encore, il existe une distribution de fluctuations sous forme de points chauds et froids, correspondant à des parties plus et moins denses de l'Univers.


Les zones plus denses, la densité moyenne et les zones moins denses qui existaient lorsque l'Univers était âgé de 380 000 ans correspondent aux points froids, moyens et chauds du CMB.

Après la formation d'atomes neutres, l'effondrement gravitationnel devient beaucoup plus facile à produire, car les photons interagissent facilement avec les électrons libres, mais mal avec les atomes neutres. Et comme les photons sont refroidis à des énergies toujours plus basses, l'importance de la matière pour l'univers augmente, donc la croissance gravitationnelle commence. La gravité prend environ 50 à 100 Ma pour rassembler beaucoup de matière, et le gaz prend suffisamment de temps pour refroidir pour permettre à l'effondrement de commencer lorsque les premières étoiles se forment. Après cela, la fusion nucléaire est lancée et les premiers éléments lourds de l'univers apparaissent.


Les structures à grande échelle de l'univers apparaissent au fil du temps; de minuscules défauts se développent et se transforment en premières étoiles et galaxies, puis fusionnent ensemble, formant de grandes galaxies modernes que nous observons aujourd'hui. Lorsque nous regardons sur de longues distances, nous voyons un univers plus jeune, semblable au passé de notre site local.

Mais même avec ces étoiles, l'Univers est au Moyen Âge. À qui la faute? À cause de tous ces atomes neutres répartis dans tout l'univers. Ils sont de l'ordre de 10 ⁸⁰ , et bien que pour les photons de basse énergie laissés après le Big Bang, cette matière soit transparente, pour les photons de haute énergie émis par les étoiles, elle est opaque. C'est pourquoi il est impossible de voir les étoiles au centre de la galaxie en lumière visible, mais à des ondes plus longues (par exemple infrarouge), vous pouvez voir directement à travers du gaz neutre et de la poussière.


Quatre types différents de la Voie lactée à quatre longueurs d'onde différentes; au sommet sont longs (submillimètre), puis infrarouge lointain, proche infrarouge et lumière visible. Les étoiles et les chemins de poussière au premier plan nous bloquent le centre de la galaxie dans la lumière visible.

Pour que l'univers devienne transparent à la lumière des étoiles, ces atomes neutres doivent être ionisés. Ils étaient déjà ionisés il était une fois: avant que l'univers ait 380 000 ans, nous appelons donc le processus de leur réionisation réionisation . Et seulement lorsque beaucoup d'étoiles se forment et que beaucoup de photons ultraviolets de haute énergie sont émis, ce processus de réionisation peut être achevé et mettre un terme à l'âge des ténèbres. Et bien que les toutes premières étoiles puissent apparaître déjà 50 à 100 millions d'années après le Big Bang, nos observations détaillées nous montrent que la réionisation ne prend fin que lorsque l'univers a 550 millions d'années.


Un diagramme de l'histoire de l'Univers, mettant l'accent sur la réionisation, qui ne s'est réellement produite qu'après la formation des premières étoiles et galaxies. Avant cela, l'Univers était rempli d'atomes neutres qui bloquent la lumière. Bien que la plupart de l'Univers n'ait pas subi de réionisation avant d'avoir atteint 550 millions d'années, certains des sites les plus chanceux ont été réionisés avant

Comment est-il arrivé que les premières galaxies que nous voyons soient apparues alors que l'univers n'avait que 400 millions d'années? Et comment le télescope James Webb peut-il regarder encore plus loin dans le passé? Deux facteurs jouent ici un rôle:

1) La réionisation n'est pas homogène. L'univers est plein de grumeaux, d'imperfections et d'hétérogénéités. C'est bien, cela permet aux étoiles, aux galaxies, aux planètes et aussi aux gens de se former. Mais cela signifie également que certaines sections de l'espace et de la direction dans le ciel ont été complètement réionisées avant d'autres. La galaxie la plus éloignée que nous connaissons, GN-z11 , est une galaxie brillante et magnifique pour un si jeune âge, mais elle est également située dans la direction dans laquelle l'Univers était presque complètement ionisé. Cela a tellement coïncidé avec succès que cela s'est produit 150 millions d'années avant la réionisation «moyenne».


Tout simplement parce que cette galaxie lointaine GN-z11 est située dans une région où l'environnement intergalactique est principalement réionisé, Hubble a pu nous le montrer aujourd'hui. James Webb ira beaucoup plus loin.

2) Ces atomes neutres sont transparents pour les longues longueurs d'onde. Bien qu'à l'époque, l'Univers était opaque à la lumière visible et ultraviolette, il était transparent aux ondes plus longues. Par exemple, il est connu que les « piliers de la création » sont opaques à la lumière visible, mais si vous les regardez dans l'infrarouge, vous pouvez facilement voir les étoiles à l'intérieur.


A gauche - une vue en lumière visible, à droite - en infrarouge, sur le même objet: Piliers de la création. Observez combien de gaz et de poussière sont plus transparents au rayonnement infrarouge et comment cela affecte le fond et les étoiles internes.

Le télescope James Webb est non seulement devenu le principal observatoire infrarouge, mais a été conçu spécifiquement pour observer la lumière infrarouge lorsqu'elle était émise par les premières étoiles. S'étirant plus loin, à des longueurs d'onde de 30 microns, au milieu de la gamme infrarouge, il pourra observer des objets qui existaient eux-mêmes au Moyen Âge.


En étudiant les étendues en constante expansion de l'Univers, nous obtenons une sensibilité non seulement aux objets à gradation, mais aussi à ceux qui sont «bloqués» par des atomes neutres. Mais avec les observatoires infrarouges, nous pouvons aussi les voir.

L'univers est sombre depuis si longtemps, car les atomes qu'il contient sont neutres depuis si longtemps. Même l'univers réionisé à 98% reste opaque à la lumière visible, et il a fallu environ 500 millions d'années à la lumière des étoiles pour ioniser complètement tous les atomes et rendre l'univers transparent. À la fin du Moyen Âge, nous pouvons tout voir à toutes les longueurs d'onde de la lumière, mais avant cela, nous devons être chanceux, ou nous devons regarder des ondes plus longues et moins absorbées.

Dire «que la lumière soit», ayant formé des étoiles et des galaxies, ne suffit pas pour terminer l'âge des ténèbres de l'univers. Créer de la lumière ne représente que la moitié de la bataille; créer un environnement dans lequel il peut se propager jusqu'aux yeux est tout aussi important. Pour cela, nous avons besoin de beaucoup d'ultraviolets et de temps. Mais si vous regardez bien, nous pouvons regarder dans l'obscurité et voir ce que nous n'avons jamais vu auparavant. Et dans moins de deux ans, cette histoire va commencer.

Ethan Siegel - astrophysicien, vulgarisateur scientifique, auteur de Starts With A Bang! Il a écrit les livres «Beyond the Galaxy» [ Beyond The Galaxy ] et «Tracknology: the science of Star Trek» [ Treknology ].