[ad_1]
Pour avoir une idée de ce à quoi ressemble l’Univers du point de vue de la Terre, imaginez une grosse pastèque. Notre galaxie, la voie lactée, est l'une des graines, au centre du fruit. L'espace qui l'entoure, la chair rose, est parsemé d'innombrables autres graines. Ce sont aussi des galaxies que nous, vivant à l'intérieur de cette graine centrale, pouvons observer à travers nos télescopes.
Comme la lumière se déplace à une vitesse finie, nous voyons les autres galaxies comme elles étaient dans le passé. Les graines les plus éloignées du centre de la pastèque sont les toutes premières galaxies vues jusqu'à présent, remontant à une époque où l'Univers n'était que le trentième de son âge actuel de 13,8 milliards d'années. Au-delà de ceux-ci, à la fine couche extérieure verte de la peau de pastèque, se trouve quelque chose de primitif d'avant l'époque des étoiles. Cette couche représente l’Univers quand il n’avait que 380 000 ans et restait une soupe chaude et rougeoyante de particules subatomiques. Nous connaissons cette période parce que sa lumière ondule toujours dans l’espace – bien qu’elle s’étende tellement depuis des éternités qu’elle existe maintenant sous la forme d’une faible lueur de rayonnement micro-ondes.
La partie la plus mystérieuse de l'univers observable est une autre couche de la pastèque, la section située entre la coquille verte et la chair rose. C’est le premier milliard d’années de l’histoire de l’Univers. Les astronomes ont très peu vu cette période, à l'exception de quelques galaxies extrêmement brillantes et d'autres objets.
Pourtant, c’était le moment où l’Univers subissait ses changements les plus dramatiques. Nous connaissons le produit final de cette transition – nous sommes ici, après tout – mais nous ne savons pas comment cela s'est passé. Comment et quand les premières étoiles se sont-elles formées et à quoi ressemblaient-elles? Quel rôle les trous noirs ont-ils joué dans la formation des galaxies? Et quelle est la nature de la matière noire, qui surpasse largement la matière ordinaire et qui aurait influencé l’évolution de l’Univers?
Une armée de projets de radioastronomie, petits et grands, tente maintenant de cartographier cette terre inconnue. Les astronomes disposent d’une source d’information simple: une seule longueur d’onde isolée émise et absorbée par l’hydrogène atomique, l’élément qui composait presque toute la matière ordinaire après le Big Bang. Les efforts déployés pour détecter ce signal subtil – une ligne du spectre de l'hydrogène d'une longueur d'onde de 21 centimètres – poussent les astronomes à déployer des observatoires de plus en plus sensibles dans certains des endroits les plus reculés du monde, notamment un radeau isolé sur un lac le plateau tibétain et une île de l'Arctique canadien.
L’année dernière, l’expérience de détection de l’époque mondiale de signature de réionisation (EDGES), une antenne simplissime et désarmante de l’outback australien, aurait peut-être permis de déceler pour la première fois la présence d’hydrogène primordial autour des premières étoiles.. D’autres expériences sont sur le point d’atteindre la sensibilité requise pour commencer à cartographier en 3D l’hydrogène primordial – et donc le premier univers – en 3D. C’est maintenant la «dernière frontière de la cosmologie», déclare l’astrophysicien théorique Avi Loeb au Centre d’astrophysique Harvard-Smithsonian (CfA) de Cambridge, dans le Massachusetts. C'est la clé pour révéler comment une masse uniforme et non distinguée de particules a évolué en étoiles, galaxies et planètes. «Cela fait partie de notre histoire de genèse – nos racines», dit Loeb.
Une ligne fine
Quelque 380 000 ans après le Big Bang, l’Univers s’est développé et refroidi suffisamment pour que son bouillon, constitué en majorité de protons et d’électrons, se combine en atomes. À l'époque, l'hydrogène dominait la matière ordinaire, mais il n'émet ni n'absorbe de photons dans la grande majorité du spectre électromagnétique. En conséquence, il est en grande partie invisible.
Mais le seul électron de l'hydrogène constitue une exception. Lorsque l'électron bascule entre deux orientations, il libère ou absorbe un photon. Les deux états ont des énergies presque identiques, de sorte que la différence que constitue le photon est assez petite. Il en résulte que le photon a une fréquence électromagnétique relativement basse et donc une longueur d'onde assez longue, légèrement supérieure à 21 cm.
C’est cette signature de l’hydrogène qui, dans les années 50, a révélé la structure en spirale de la Voie lactée. À la fin des années 1960, le cosmologiste soviétique Rashid Sunyaev, actuellement à l'Institut Max Planck d'astrophysique de Garching, en Allemagne, fut l'un des premiers chercheurs à réaliser que cette ligne pourrait également être utilisée pour étudier le cosmos primordial. Étirés ou décalés par l'expansion de l'Univers, ces photons de 21 cm auraient aujourd'hui des longueurs d'onde comprises entre 1,5 et 20 mètres environ, ce qui correspond à 15-200 mégahertz (MHz).
Sunyaev et son mentor, le regretté Yakov Zeldovich, ont pensé utiliser le signal primordial de l'hydrogène pour tester certaines des premières théories sur la formation des galaxies.. Mais, dit-il La nature«Quand je suis allé voir les radioastronomes avec cela, ils ont dit:« Rashid, vous êtes fou! Nous ne pourrons jamais observer cela ».
Le problème était que la ligne d'hydrogène, plus profondément dans le spectre radioélectrique, serait si faible qu'il semblait impossible de s'isoler de la cacophonie de signaux radiofréquences provenant de la Voie lactée et de l'activité humaine, y compris les stations de radio FM et les voitures. bougies.
L'idée de cartographier le début de l'Univers avec des photons de 21 cm n'a retenu que l'attention sporadique pendant trois décennies, mais les progrès technologiques de ces dernières années ont permis à la technique de paraître plus maniable. Les bases de la détection radio restent les mêmes; de nombreux radiotélescopes sont construits à partir de matériaux simples, tels que des tuyaux en plastique et des treillis métalliques. Mais les capacités de traitement du signal des télescopes sont devenues beaucoup plus avancées. Les composants électroniques grand public initialement développés pour les jeux et les téléphones mobiles permettent désormais aux observatoires de traiter d’énormes quantités de données avec un investissement relativement faible. Entre-temps, les cosmologistes théoriques ont présenté des arguments plus détaillés et plus convaincants en faveur de la promesse d’une cosmologie de 21 cm.
Ténèbres et aube
Juste après la formation d'hydrogène atomique à la suite du Big Bang, la seule lumière dans le cosmos était celle qui atteint la Terre aujourd'hui sous forme d'un faible rayonnement de longue longueur d'onde venant de toutes les directions – un signal connu sous le nom de fond diffus cosmologique (CMB). Il y a quelque 14 milliards d'années, cette éruption du Big Bang aurait semblé uniformément orange aux yeux de l'homme. Ensuite, le ciel aurait rougi, avant de se fondre lentement dans l'obscurité totale; il n'y avait tout simplement rien d'autre là-bas pour produire de la lumière visible, car les longueurs d'ondes du rayonnement de fond continuaient de s'étendre dans le spectre infrarouge et au-delà. Les cosmologues appellent cette période l’âge des ténèbres (voir ‘Une vue plongeante de l’univers de la Terre’).
Au fil du temps, les théoriciens estiment que l’Univers en évolution aurait laissé trois traces distinctes sur l’hydrogène qui remplissait l’espace. Le premier événement aurait commencé environ 5 millions d'années après le Big Bang, lorsque l'hydrogène devint suffisamment froid pour absorber plus de radiations de fond qu'il n'en émettait. La preuve de cette période devrait être décelable aujourd’hui dans le spectre CMB sous la forme d’un creux d’intensité à une certaine longueur d’onde, caractéristique que l’on a surnommée le creux de l’âge sombre.
Un deuxième changement est survenu quelque 200 millions d'années plus tard, après que la matière se soit suffisamment agglomérée pour créer les premières étoiles et galaxies. Cette «aube cosmique» libère des rayons ultraviolets dans l’espace intergalactique, ce qui rend l’hydrogène plus réceptif à l’absorption de photons de 21 cm. En conséquence, les astronomes s'attendent à voir un deuxième creux ou creux du spectre CMB à une longueur d'onde différente et plus courte. c'est la signature que EDGES semble avoir détectée.
Un demi-milliard d’années d’existence dans l’Univers, l’hydrogène aurait subi un changement encore plus spectaculaire. Le rayonnement ultraviolet des étoiles et des galaxies s’est suffisamment éclairé pour que l’hydrogène de l’Univers émette une fluorescence qui en fait une source lumineuse de photons de 21 cm. Mais l'hydrogène le plus proche de ces premières galaxies a absorbé tellement d'énergie qu'il a perdu ses électrons et s'est assombri. Ces bulles sombres et ionisées ont grossi en un demi-milliard d’années, alors que les galaxies grandissaient et fusionnaient, laissant de moins en moins d’hydrogène lumineux entre elles. Encore aujourd’hui, la grande majorité de l’hydrogène de l’univers reste ionisée. Les cosmologues appellent cette transition l’époque de la réionisation, ou EOR.
La RAH est la période que de nombreuses expériences de radioastronomie de 21 cm, en cours ou en préparation, visent à détecter. L'espoir est de le cartographier en 3D au fur et à mesure de son évolution, en prenant des instantanés du ciel à différentes longueurs d'onde, ou décalages rouges. "Nous pourrons construire tout un film", explique Emma Chapman, astrophysicienne à l'Imperial College London. Les détails de la formation des bulles, de leur forme et de leur vitesse de croissance révèlent la formation des galaxies et leur type de lumière. Si les étoiles réalisaient l'essentiel de la réionisation, les bulles auront des formes nettes et régulières, explique Chapman. Mais «s'il y a beaucoup de trous noirs, ils commencent à devenir plus larges et plus libres ou plus vaporeux», explique-t-elle, car le rayonnement dans les jets sortant des trous noirs est plus énergique et plus pénétrant que celui des étoiles.
L'EOR fournira également un test sans précédent pour le meilleur modèle actuel d'évolution cosmique. Bien qu'il existe de nombreuses preuves de la matière noire, personne n'a identifié exactement ce que c'est. Les signaux provenant de la RAH aideraient à indiquer si la matière noire est constituée de particules relativement lentes ou "froides" – le modèle actuellement privilégié – ou de "chaudes" plus légères et plus rapides, selon Anna Bonaldi, astrophysicienne au Square Kilometer Array (SKA) Organisation près de Manchester, au Royaume-Uni. «La nature exacte de la matière noire est l’un des enjeux, dit-elle.
Bien que les astronomes cherchent désespérément à en savoir plus sur la RAH, ils commencent tout juste à se rapprocher de leur capacité à la détecter. Les réseaux de radiotélescopes comparent les signaux de plusieurs antennes afin de détecter les variations d'intensité des ondes provenant de différentes directions du ciel.
L'un des outils les plus avancés dans ce domaine est le réseau basse fréquence (LOFAR), dispersé dans de nombreux pays européens et situé près de la ville néerlandaise d'Exloo. Actuellement, le plus grand observatoire de radio de basse fréquence au monde, il n’a jusqu’à présent pu limiter que la distribution de la taille des bulles, excluant ainsi certains scénarios extrêmes, tels que ceux dans lesquels le milieu intergalactique était particulièrement froid, dit Leon Koopmans, astronome à l'Université de Groningue aux Pays-Bas, dirige les études EOR pour LOFAR. Suite à une récente mise à niveau, un concurrent du LOFLAR, le Murchison Widefield Array (MWA) dans le désert de l’Australie occidentale, a encore affiné ces limites dans les résultats qui seront publiés prochainement.
À court terme, les chercheurs disent que la meilleure chance de mesurer les propriétés statistiques réelles de la RAH – plutôt que de les limiter – repose probablement sur un autre effort appelé HERA (Hydrogen Epoch of Reionization Array). Le télescope, qui consiste en un ensemble de 300 antennes paraboliques, est en cours d'achèvement dans la région de Northern Cape en Afrique du Sud et devrait commencer à recueillir des données ce mois-ci. Alors que le MWA et le LOFAR sont des observatoires polyvalents à longue longueur d’onde, la conception de HERA a été optimisée pour la détection de l’hydrogène primordial. Son emballage étroit de paraboles d'une largeur de 14 mètres couvre des longueurs d'onde comprises entre 50 et 250 MHz. En théorie, cela devrait le rendre sensible au creux de l’aube cosmique, lorsque les galaxies ont commencé à éclairer le cosmos, ainsi qu’à la RAH (voir «Vue du monde à l’œil de la Terre»).
Comme pour toute expérience de ce type, HERA devra faire face à des interférences de la Voie Lactée. Les émissions de fréquences radio de notre galaxie et d’autres sont des milliers de fois plus élevées que la ligne hydrogène de l’univers primordial, prévient le chercheur principal de HERA, Aaron Parsons, radioastronome de l’Université de Californie à Berkeley. Heureusement, les émissions de la galaxie ont un spectre lisse et prévisible, que l’on peut soustraire pour révéler des caractéristiques cosmologiques. Pour ce faire, cependant, les radioastronomes doivent savoir exactement comment leur instrument réagit à différentes longueurs d'onde, également connues sous le nom de systématique. De petits changements dans l'environnement, tels qu'une augmentation de l'humidité du sol ou l'élagage d'un arbuste à proximité, peuvent faire la différence – de même que la qualité d'un signal radio FM peut changer en fonction de l'endroit où vous vous trouvez dans la pièce.
Si les choses vont bien, l'équipe HERA pourrait avoir ses premiers résultats de RAH dans quelques années, explique Parsons. Nichole Barry, astrophysicien à l'Université de Melbourne en Australie et membre de la collaboration MWA, est enthousiaste à propos de ses chances: «HERA aura suffisamment de sensibilité pour que si elle parvient à maîtriser la systématique, boum! Ils peuvent effectuer une mesure en peu de temps. "
Comme toutes les baies existantes, HERA visera à mesurer les statistiques des bulles plutôt que de produire une carte 3D. Le meilleur espoir des astronomes en ce qui concerne les cartes 3D de la RAH réside dans le montant de 785 millions de dollars australiens, qui devrait être mis en ligne au cours de la prochaine décennie. Observatoire radio le plus ambitieux de tous les temps, le SKA sera divisé entre deux continents, la moitié en Australie étant conçue pour capter des fréquences de 50–350 MHz, la bande pertinente pour l’hydrogène de l’univers précoce. (L'autre moitié, en Afrique du Sud, sera sensible aux fréquences plus élevées.)
Cosmologie de Cro-Magnon
Bien que les baies deviennent de plus en plus grandes et coûteuses, une autre catégorie de projets de 21 cm est restée modeste. Beaucoup, comme EDGES, collectent des données avec une seule antenne et ont pour objectif de mesurer certaines propriétés des ondes radioélectriques moyennées sur l'ensemble du ciel disponible.
Les antennes utilisées par ces projets sont «assez Cro-Magnon», déclare le radioastronome Lincoln Greenhill de la CfA, faisant référence à la nature primitive de l'équipement. Mais les chercheurs passent des années à peaufiner minutieusement leurs instruments pour modifier leur systématique ou à utiliser des modèles informatiques pour déterminer exactement ce qu’est la systématique. C'est une «obsession masochiste», déclare Greenhill, qui dirige le projet LEDA (Experte à grande ouverture pour détecter l'âge des ténèbres) aux États-Unis. Il se rend souvent en solo aux antennes de la LEDA à Owens Valley, en Californie, pour effectuer diverses tâches. Celles-ci pourraient inclure la pose d’un nouvel écran métallique sur le sol désertique sous les antennes, afin de servir de miroir pour les ondes radio.
Ces subtilités ont signifié que la communauté a tardé à accepter les résultats du projet EDGES. Le signal de l'aube cosmique observé par EDGES était également d'une taille inattendue, suggérant que l'hydrogène gazeux qui était environ 200 millions d'années après le Big Bang était beaucoup plus froid que prévu, peut-être 4 kelvin au lieu de 7 kelvin. Depuis la publication des résultats au début de 2018, les théoriciens ont écrit des dizaines d'articles proposant des mécanismes qui auraient pu refroidir le gaz, mais de nombreux radioastronomes – y compris l'équipe EDGES – avertissent que les résultats expérimentaux doivent être répliqués avant que la communauté ne puisse les accepter.
LEDA tente maintenant de le faire, de même que plusieurs autres expériences dans des endroits encore plus éloignés et inaccessibles. Ravi Subrahmanyan de l’Institut de recherche Raman à Bengaluru, en Inde, travaille sur une petite antenne sphérique appelée SARAS 2. Lui et son équipe l’ont emmenée sur un site du plateau tibétain et ils tentent maintenant de la placer sur un radeau. au milieu d'un lac. Avec l’eau douce, "vous êtes assuré que vous avez un milieu homogène en dessous", explique Subrahmanyan, ce qui pourrait rendre la réponse de l’antenne beaucoup plus simple à comprendre, par rapport à celle sur le sol.
La physicienne Cynthia Chiang et ses collègues de l'Université du KwaZulu-Natal à Durban, en Afrique du Sud, sont allés encore plus loin – à mi-chemin de l'Antarctique, dans la lointaine île Marion – pour mettre en place leur expérience de l'aube cosmique, baptisée Probing Radio Intensity à High-Z. de Marion. Chiang, qui est maintenant à l'Université McGill à Montréal, au Canada, se rend également sur un nouveau site, l'île Axel Heiberg, dans l'Arctique canadien. Les interférences radio sont limitées et l'équipe espère pouvoir détecter des fréquences aussi basses que 30 MHz, ce qui pourrait leur permettre de détecter le creux de l'âge sombre.
À de si basses fréquences, la haute atmosphère devient un obstacle sérieux aux observations. Le meilleur endroit sur Terre pour les accomplir pourrait être le Dome C, un site de haute altitude en Antarctique, dit Greenhill. Là, les aurores – une source majeure d’interférences – seraient au-dessous de l’horizon. Mais d'autres ont les yeux rivés sur l'espace ou sur la face cachée de la Lune. «C’est le seul endroit silencieux du système solaire interne», explique l’astrophysicien Jack Burns de l’Université du Colorado à Boulder. Il dirige des propositions pour un télescope simple à placer en orbite lunaire, ainsi qu'un ensemble à déployer par un robot robot sur la surface de la Lune.
D’autres techniques plus conventionnelles ont pénétré dans les premiers milliards d’années de l’histoire de l’Univers en détectant quelques galaxies et quasars, des balises dirigées par des trous noirs qui comptent parmi les phénomènes les plus lumineux de l’Univers. Les futurs instruments, notamment le télescope spatial James Webb que la NASA devrait lancer en 2021, apporteront davantage de ces résultats. Mais dans un avenir prévisible, les télescopes conventionnels ne repèreront que certains des objets les plus brillants, et ne pourront donc effectuer aucune étude exhaustive du ciel.
Pour de nombreux cosmologistes, le rêve ultime est une carte 3D détaillée de l'hydrogène, non seulement pendant la RAP, mais aussi depuis l'âge des ténèbres. C’est une vaste étendue d’espace: grâce à l’expansion cosmique, les premiers milliards d’histoire de l’Univers représentent 80% du volume actuel de l’Univers observable. Jusqu'à présent, les meilleurs levés 3D de galaxies – qui ont tendance à couvrir des objets plus proches, et donc plus brillants – ont permis de créer des cartes détaillées représentant moins de 1% de ce volume, explique Max Tegmark, cosmologiste au Massachusetts Institute of Technology de Cambridge. Loeb, Tegmark et d'autres ont calculé que les variations de la densité de l'hydrogène avant la RAH contiennent beaucoup plus d'informations que le CMB.,, qui a été jusqu’à présent la référence pour mesurer les principales caractéristiques de l’Univers. Ceux-ci incluent son âge, la quantité de matière noire qu'il contient et sa géométrie.
Cartographier ce début d'hydrogène constituera un énorme défi technique. Jordi Miralda-Escudé, cosmologiste à l'Université de Barcelone en Espagne, a déclaré qu'avec la technologie actuelle, il était si difficile de devenir un rêve.
Mais le gain de produire de telles cartes serait immense, dit Loeb. "Le signal de 21 cm offre aujourd'hui le plus grand ensemble de données de l'univers qui nous sera jamais accessible."
[ad_2]