LES ÂGES SOMBRES DE L`UNIVERS

LES «!ÂGES SOMBRES!»
DE L’UNIVERS
De la recombinaison à la réionisation
Dans la première centaine de millions d’années après la grande
«!explosion!» primordiale, l’aube du monde s’étirait dans un ciel
uniformément noir, sans étoile ou nébuleuse, ni le moindre témoin de
cette période, que les astronomes ont bien du mal à appréhender.
C’étaient «!les âges sombres!» de l’Univers.
Cette période mystérieuse de l’histoire de l’univers s’étend de 380 000 ans après le Big
Bang jusqu’à l’apparition des premières étoiles, environ 550 millions d’années après.
Avant d’essayer de mieux appréhender cette zone d’ombre, il est important de la définir
entre ses deux balises, la recombinaison et la réionisation.
La recombinaison est le phénomène qui permet la formation d’atomes neutres par la
combinaison d’électrons aux noyaux atomiques.
Rappelons qu’un atome est formé d’un noyau constitué d’un certains nombre de nucléons,
différenciés en protons chargés positivement et neutrons non chargés électriquement.
Autour du noyau se trouvent un ou des électrons, portant une charge électrique négative.
Si leur nombre est égal au nombre de protons du noyau, l’atome est électriquement
neutre.
L’ionisation consiste à enlever ou à ajouter des charges électriques à un atome, pour lui
conférer une charge électrique soit positive, soit négative.
ion négatif
ion positif

Selon la théorie du Big Bang, il y a 13,77 milliards d’années, l’Univers primordial était
empli d’un plasma chaud de protons, d’électrons et de photons ainsi que d’une pincée
d’autres particules.
A ce moment-là, l’Univers était trop chaud pour que les électrons (chargés négativement),
puissent être capturés par les protons (chargés positivement). Car les photons
interagissaient sans cesse avec ces atomes éphémères, cassant immédiatement les
liaisons qui essayaient de se former. Rapidement absorbés, ces photons avaient donc une
vie très courte et n’avaient donc guère le temps de se déplacer.
Rayonnement et matière sont alors étroitement couplés.
Une sorte d’épais brouillard rend cet univers ionisé, complètement opaque.
C’est cette situation qui prévalait à cette période de l’univers. Des particules
électriquement chargées (négativement pour certaines, positivement pour d’autres), se
déplaçaient sans jamais se combiner les unes aux autres. Des atomes neutres ne
pouvaient donc pas encore se former.
La recombinaison
380 000 ans après le Big Bang, l’Univers après sa phase d’inflation s’est sérieusement
dilaté et par la-même refroidi. La température est descendue sous la barre des 3 000
kelvins.
Les photons n’ont plus alors suffisamment d’énergie pour casser les liaisons éphémères,
électrons-protons. et les électrons se sont combinés pour former des atomes d’hydrogène
électriquement neutres. Le rayonnement perd ainsi sa capacité à dissocier les couples qui
se forment.
Les rencontres au hasard entre noyaux et électrons vont dorénavant donner naissance à
des composés stables.
Cette époque est connue sous le nom de recombinaison puisque noyaux et électrons se
combinent ensemble.
Reconnaissons que ce terme est quelque peu impropre, puisqu’il représente la première
fois où électrons et noyau se sont combinés.
Le rayonnement fossile
Lors de cette « recombinaison », l’interaction de la lumière avec la matière a brutalement
diminué.
Les photons sont maintenant trop peu énergétiques pour être absorbés par les atomes. La
lumière n’a plus d’obstacle et les photons peuvent désormais se propager sans entrave.
Le rayonnement se découplant de la matière, l’Univers devient transparent.

Ce découplage a laissé une trace encore observable de nos
jours : c’est le fond diffus cosmologique.
C’est le plus vieux cliché de l’Univers, qui remonte à environ
380 000 ans après le Big Bang, que nous puissions observer.
Paradoxalement, l’Univers entre alors dans ce que les astrophysiciens appellent «!les
âges sombres!», une période qui va durer plusieurs centaines de millions d’années. En
effet, au cours de cette période nulle source lumineuse n’est encore active : l’Univers se
trouve dans une obscurité totale.
La réionisation
Puis, 500 à 600 millions d’années après le Big Bang, les choses commencent à changer.
L’Univers s’éclaire peu à peu avec l’éclat des premières étoiles et premières galaxies.
C’est la période de «!réionisation!».
Le rayonnement ultraviolet émis par les premiers astres lumineux se met alors à diviser
les atomes d’hydrogène électriquement neutres (qui s’étaient combinés 380 000 ans après
le Big Bang).
Cette période s’achève environ un milliard d’années après le Big Bang, comme le montre
le spectre des plus vieilles galaxies jusqu’alors observées.
Notons que de nos jours, l’Univers est encore considéré comme ionisé.
Cette période a été le théâtre de transformations fondamentales : dans le secret d’une nuit
d’encre, la gravitation assemblait les premiers objets du cosmos, forgeant, à partir d’un
milieu informe, la riche faune de corps célestes que nous observons aujourd’hui.
Les astronomes essayent actuellement de retrouver les pages manquantes de l’album
photos cosmique, pour comprendre comment l’Univers a évolué pendant son enfance, et
comment et à partir de quoi se sont assemblées les premières galaxies.
Que s’est-il donc passé pour que le gaz neutre à l’issue de la recombinaison,
redevienne ionisé ?

En 2004, la sonde WMAP (Wilkinson
Microwave Anisotropy Probe) a révélé que
le rayonnement fossile est légèrement
polarisé.
Cette polarisation a été confirmé
récemment par les données de la mission
PLANCK.
Une partie de cette polarisation proviendrait
de l’interaction avec du gaz ionisé baignant
tout le cosmos.
Son intensité suggère que l’hydrogène neutre a été ionisé dès les premières centaines de
millions d’années après le Big Bang. Ainsi, les électrons ont de nouveau été séparés de
leurs atomes au cours de l’âge sombre.
Deux scénarios sont actuellement débattus en attente de données observationnelles
plus précises, pour expliquer cette réionisation.
PREMIER SCÉNARIO :
DES ÉTOILES POUR LA RÉIONISATION
Ce premier scénario met en scène d’hypothétique étoiles extrêmement massives et
lumineuse, les étoiles de population III (le chiffre III fait référence à la pauvreté en
métaux), constituées exclusivement d’éléments légers (hydrogène et hélium, avec peut-
être un peu de lithium), qui seraient les premières à s’être formées, environ 500 millions
d’années après le Big Bang.
Ces étoiles qui auraient largement contribuer à la réionisation de l’univers, n’ont toutefois
pas été observées directement, mais on suppose qu’elles sont des constituants des
galaxies bleu pâle, du fait de leur couleur et de leur éloignement.
Tout le gaz est
neutre. Les
régions denses
(en blanc) vont
donner
naissance aux
premières
étoiles et
Les étoiles et
les quasars
ont commencé
à ioniser le gaz
environnant
(tâches rouges
discrètes).
Une nouvelle
génération
d’étoiles et de
quasars voit le
jour, qui
forment leurs
propres bulles
ionisées.
Les bulles
commencent à
se rejoindre.
Les bulles ont
fusionné et
occupent
presque tout
l’espace.
Le peu
d’hydrogène
neutre restant
est concentré
dans les
galaxies.

Un élément de preuve a été apporté par le télescope spatial Spitzer, dont les images du
fond diffus extragalactique infrarouge, sont conformes à ce que l’on pourrait attendre si
ces étoiles existaient.
En débarrassant leurs données de toute la ‘’pollution’’ créée par les galaxies, les étoiles ou
les poussières, afin d’atteindre un rayonnement infrarouge ‘’fossile’’, les chercheurs ont
mis en évidence une image du fond diffus qui pourrait être interprété comme une signature
de la lumière de la première génération d’étoiles.
Ces galaxies qui sont interprétées aujourd’hui comme des galaxies naines, ont fusionné,
au fil du temps, pour former des galaxies de plus en plus massives.
Dans les galaxies embryonnaires, le gaz a refroidi et s’est fragmenté en paquets, qui ont
donné naissance aux premières étoiles.
Le rayonnement ultraviolet de celles-ci dans l’espace intergalactique a ionisé l’hydrogène
environnant créant des bulles de gaz ionisé ça et là. En grandissaient, ces bulles ont
fusionné et le gaz intergalactique est redevenu entièrement réionisé.
image brute
image nettoyée