D’abord, là c’était le Big Bang, et puis il y a eu la lumière.
Environ 400 000 ans après la formation de notre univers, l’environnement chaud du Big Bang a finalement commencé à se refroidir. Avant ce moment, l’univers était comme un grand plasma chaud. Nous voyons alors émerger le rayonnement de l’univers, nous permettant d’en apprendre davantage sur la physique du cosmos en observant la lumière comme un fond faible et fantomatique que nous voyons aujourd’hui dans certaines longueurs d’onde.
Puis vint l’effet des premières étoiles sur cet environnement il y a 400 millions d’années, appelé l’époque de la réionisation. C’est une époque fascinante que nous commençons à peine à comprendre – les premières étoiles et galaxies ont dégagé une brume universelle et ouvert les perspectives de l’univers.
Que s’est-il passé après le Big Bang ?
Commençons par le Big Bang. L’univers est né il y a 13,8 milliards d’années, et beaucoup de choses se sont passées dès les premières minutes.
Alors que l’univers s’étendait rapidement, les températures se refroidissaient. Puis les protons et les neutrons (éléments des atomes d’aujourd’hui) ont commencé à se combiner. Leur première combinaison était probablement un isotope (ou un type) d’hydrogène appelé deutérium. Au fil du temps, le deutérium est également combiné pour créer de l’hélium.
Cet environnement est resté incroyablement chaud pendant environ 380 000 ans – si chaud que la lumière a été dispersée dans un plasma (ou gaz surchauffé) de protons, d’électrons et de neutrons. Nous ne pouvons donc rien voir de l’ère la plus ancienne.
Fond de micro-ondes cosmique
Puis est venue la prochaine étape majeure, lorsque la matière s’est finalement suffisamment refroidie (à 3000 Kelvin, environ 4900 Fahrenheit) pour que les noyaux créent des atomes d’hydrogène. Alors que l’univers était plutôt opaque, la lumière a commencé à se diffuser suffisamment pour que nous puissions voir des objets distincts.
Philip Kaaret, directeur du département de physique de l’Université de l’Iowa, dit que nous pouvons voir une manifestation de cette période de pré-réionisation dans les longueurs d’onde micro-ondes.
“C’est là que la lumière que nous voyons provient du fond cosmique des micro-ondes”, explique Kaaret Inverse. Vous pouvez considérer le fond diffus cosmologique (CMB) comme la rémanence du Big Bang, que nous repérons dans de puissants observatoires tels que le satellite Planck de l’Agence spatiale européenne.
Nous voyons le CMB dans la lumière à basse énergie, mais c’est simplement parce que l’énergie des photons a été décalée vers le rouge – déplacée vers le bord rouge du spectre de la lumière – en raison de l’expansion de l’univers. L’énergie réelle de ces photons était dans une bande plus courte, l’ultraviolet.
Néanmoins, le CMB nous montre que la température et la structure de l’univers étaient presque uniformes, avec des fluctuations de quelques fractions de degrés seulement. C’est un environnement très différent de celui d’aujourd’hui. “Il n’y a pas de galaxies. Il n’y a pas d’étoiles. Nous voyons juste cette température remarquablement uniforme », explique Kaaret. Les astronomes appellent à juste titre cette ère l’âge des ténèbres.
Qu’est-ce que l’époque de la réionisation ?
Au fil du temps, le gaz a finalement commencé à s’agglutiner pour former des étoiles. La théorie veut que leur énergie ultraviolette ait commencé à « réioniser » l’univers, ce qui a conduit à notre terme : l’époque de la réionisation. On pense que ces premières étoiles, ainsi que les premières galaxies et les «quasars» ultra-brillants avec des trous noirs au milieu, ont tous aidé à réioniser l’hydrogène gazeux avec leur énergie.
L’ionisation (dans ce cas) fait référence au moment où l’énergie de l’étoile élimine les électrons des atomes du gaz environnant et l’appelle à briller. Cette ère est appelée «réionisation» car c’est la deuxième fois que le gaz est alimenté depuis le Big Bang.
La modélisation suggère que l’époque de la réionisation a commencé environ 400 millions d’années après le Big Bang. Pendant les 600 millions d’années qui ont suivi, l’énergie collective de ces étoiles et galaxies pionnières a repoussé le gaz, permettant à la lumière de pénétrer plus profondément dans l’espace que jamais auparavant.
Néanmoins, la modélisation de la réionisation a intrigué les astronomes pendant des décennies car nous ne savons pas exactement comment ces premières étoiles se sont formées. En savoir plus sur la formation précoce des étoiles est “probablement la question la plus urgente en astrophysique”, a déclaré Kaaret, ce qui nous aide à comprendre comment les premières galaxies (ou collections d’étoiles) se sont formées.
Le télescope spatial James Webb, récemment lancé, a été créé en grande partie pour répondre à cette question, car ses capacités infrarouges lui permettent de voir des objets fortement décalés vers le rouge comme ces premières galaxies. (Il ne verra probablement pas d’étoiles individuelles, car les astronomes ne s’attendent pas à ce que ses yeux puissants détectent de si petits objets, a déclaré Kaaret.)
Comment étaient les premières étoiles ?
Nous pouvons cependant faire quelques généralisations. Les premières étoiles constituées d’hydrogène sont différentes des étoiles d’aujourd’hui, qui disposent d’éléments plus lourds tels que l’oxygène ou le carbone.
Les premières étoiles étaient probablement plus massives, a déclaré Kaaret, probablement au moins des dizaines de fois la masse du Soleil. En effet, l’hydrogène et l’hélium sont des éléments légers, ce qui permet à la pression de rayonnement de les éloigner du noyau d’une étoile par rapport à des éléments plus lourds comme l’oxygène.
Cela dit, les scientifiques ont mis à jour des études d’il y a 20 ans suggérant que certaines premières étoiles pourraient devenir des milliers de fois plus massives que le Soleil. Kaaret a déclaré que les modèles d’aujourd’hui montrent que les nuages de gaz qui forment les étoiles se sont fragmentés avant que les étoiles ne deviennent aussi énormes. Mais leur vie a été courte.
“Ils ne vivront que quelques millions, peut-être jusqu’à 10 millions d’années. C’est par opposition à 10 milliards d’années pour une étoile [like our Sun] d’une seule masse solaire », explique Kaaret. “Puis, à la fin de leur vie, ils ont explosé.”
Pour la perspective, notre système solaire s’est probablement formé il y a environ 5 milliards d’années, relativement tard dans la durée de vie de 13,8 milliards d’années de l’univers. Ainsi, l’utilisation de Webb et de puissants télescopes, comme le prochain télescope extrêmement grand (ELT), aidera à donner plus d’informations sur le passé lointain de notre univers, a déclaré Kaaret.
“Nous pourrons en fait voir des galaxies alors que l’Univers n’avait que 100 millions d’années ou même moins, peut-être même des dizaines de millions d’années.”