Avec le temps, la vérité et le matin deviennent de la lumière

Formation des premières structures de l'Univers 

Guilaine Lagache (née en 1972), astronome au Laboratoire d''astrophysique de Marseille. Spécialiste de la cosmologie observationnelle. Observation de certaines longueurs d'onde soumises à l'expansion cosmique 

N° 570 - Magazine La Recherche. Juillet / août / septembre 2022 

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Comprendre la réionisation, une période particulière de l'histoire cosmique 

Juste après les âges sombres, la première génération d'étoiles illumine l'Univers 

Les âges sombres, l'époque de l'histoire de l'Univers située entre 

l'émission du fond diffus cosmologique (la recombinaison. Formation des atomes neutres). Rayonnement électromagnétique homogène observé dans toutes les directions du ciel, dont le pic d'émission est situé dans le domaine des micro-ondes. 380 000 ans après le Big Bang 

et l'allumage de la première génération d'étoiles. 400 millions d'années après le Big Bang 

Réionisation. Le rayonnement des premières étoiles commence à réioniser les atomes neutres 

 
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Au début de l'Univers, se forment les atomes neutres 

Premières galaxies. Leur rayonnement commence à réioniser les atomes. L'Univers devient transparent pour les photons. Sans être immédiatement réabsorbée, la lumière émise parcourt librement le cosmos 

Les astrophysiciens étudient la raie de carbone ionisé, traceur de la formation des étoiles dans les lointaines galaxies de l'Univers 

118 galaxies de l'Univers jeune (1 à 1,5 milliard d'années) sont étudiées. Les observations mettent en évidence la raie de carbone ionisé ; les galaxies primordiales, déjà poussiéreuses, sont évoluées. Leurs étoiles contiennent beaucoup d'éléments plus lourds que l'hydrogène   
 

Opérationnel vers 2027. Consortium scientifique international. En cours de construction sur deux sites, en Afrique du Sud et en Australie, le futur radiotélescope géant SKA. Square Kilometre Array 

Voir les galaxies directement responsables de la réionisation 

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Les débuts de l'Univers 

La lumière de l'univers -les photons qui circulent dans le cosmos- résultent d'émissions d'objets bien identifiés. Étoiles, nuages de poussières ou de galaxies 

Mais il existe une composante diffuse, qui émane d'un ensemble de sources 

L'analyse du rayonnement diffus donne des informations différentes du rayonnement des astres individuels 

1967. Domaine des longueurs d'onde infrarouge. L'existence d'un rayonnement issu d'une myriade de galaxies particulières, dites infrarouges, est recherchée 

1996. Satellite américain COBE (1989-1993) -Cosmic Background Explorer. Étude du fond diffus cosmologique, le rayonnement électromagnétique issu de la phase dense et chaude de l'Univers primordial. 380 000 ans après le Big Bang. Première observation 

Reconstruire l'histoire de la formation des premières galaxies dans l'Univers 

Pour connaître cette période de la prime jeunesse de l'Univers, observer les galaxies lointaines 

La lumière a une vitesse finie (environ 300 000 km / seconde). Elle met un certain temps à parvenir à l'observateur. Voir le plus loin possible, équivaut à remonter dans le passé vers l'origine de l'Univers 

L'une des composantes directement observables est la lumière des galaxies jeunes, émise dans l'ultraviolet   

L'intensité du flux lumineux ultraviolet émanant des étoiles, permet de mesurer directement le taux de formation d'étoiles dans ces galaxies 
 

De nombreuses galaxies jeunes sont obscurcies par les poussières. Absorbée par les poussières, la lumière ultraviolette de leurs étoiles est réémise dans l'infrarouge 

95 % de l'énergie des galaxies lointaines est émis dans l'infrarouge lointain 

Le flux infrarouge de toutes ces galaxies (non-individualisables) renseigne sur leur évolution dans l'histoire de l'Univers 

L'excès d'émission dans l'infrarouge traduit une formation stellaire active aux époques reculées de l'Univers, dans des galaxies infrarouges obscurcies par la poussière 

Les galaxies lumineuses en infrarouge sont rares. Profuses en gaz, elles forment des étoiles à un rythme vertigineux 

Le fonds diffus cosmologique est la lumière baignant l'Univers, émise 380 000 ans après le Big Bang -il y a 13,8 milliards d'années 

La recombinaison. L'Univers en expansion se refroidit. Proton et électron se combinent pour donner un atome d'hydrogène et de l'énergie, sous forme de photon. Premiers atomes d'hydrogène neutre 

2009-2013. Agence spatiale européenne, avec une participation de l'agence spatiale américaine, la NASA. Le télescope spatial Planck détecte les fluctuations du fonds diffus infrarouge, les variations de température et d'intensité 

Pour le fonds diffus cosmologique, les fluctuations représentent les variations de densité à l'époque de la recombinaison. Amplifiés par l'action de la gravitation, ces germes donnent naissance aux structures du cosmos 

Les fluctuations du fonds infrarouge retracent la formation des étoiles dans les galaxies et leur connexion aux structures de l'Univers 

Les fluctuations retracent la distribution des galaxies actives, qui forment les étoiles. Dans une certaine mesure, étudier la distribution des halos de matière noire qui hébergent les galaxies 

Les processus de formation d'étoiles dans les galaxies sont liés à la matière noire, l'échafaudage qui structure la formation et l'évolution des galaxies. La présence de la matière noire est décelée par ses propriétés gravitationnelles 

 
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L'histoire passée de l'Univers. Une période particulière, la réionisation 

Modèle standard de la cosmologie. 13,8 milliards d'années, période dense et chaude, Big Bang 

Une fraction de seconde après le Big Bang. Expansion exponentiellement rapide de l'Univers. L'inflation 

Premières dizaines de minutes après le Big Bang. Les premiers éléments se forment.  A la fin de la nucléosynthèse primordiale, les deux éléments principaux sont l'hydrogène (les protons) et l'hélium 4 

Longue période. Le cosmos contient de la matière noire (nature inconnue). Interaction avec la gravitation 

380 000 ans après le Big Bang. Recombinaison. Émission du fonds diffus cosmologique, qui aujourd'hui baigne le cosmos 

Ni étoiles, ni galaxies. L'Univers est essentiellement composé de gaz neutre. Pas de sources de lumière. Les âges sombres 

Dans les halos de matière noire, effondrement gravitationnel du gaz 

Les premières étoiles se forment. Elles contiennent exclusivement les éléments chimiques de la nucléosynthèse primordiale 

Premières étoiles. Masses élevées, plusieurs centaines à plusieurs milliers de fois la masse du Soleil. 

Courte vie, quelques millions d'années. Pour les plus massives, moins d'un million d'années 

Les premières étoiles s'embrasent et disparaissent. Elles ensemencent le cosmos en éléments plus lourds 

Seconde génération d'étoiles. Premières galaxies 

Les premières étoiles réionisent l'Univers. L'aube cosmique 

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Le décalage vers le rouge des raies spectrales permet de discerner les différentes périodes 

100 millions d'années après le Big Bang. Démarrage de la réionisation 

Les sources responsables ne sont pas identifiées 

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Le modèle standard de la cosmologie 

bâti sur l'inflation. L'expansion accélérée de l'Univers à ses tout débuts -à confirmer   

sur la matière noire (27 % de la masse de l'Univers). Invoquée pour rendre compte de certaines observations astrophysiques, notamment les estimations de la masse des galaxies ou les propriétés des fluctuations du fond diffus cosmologique. Nature inconnue 

sur l'énergie noire (68 % de la masse de l'Univers), responsable de l'expansion de l'Univers observée. Elle remplirait uniformément tout l'Univers. Pression négative, force gravitationnelle répulsive. Origine inconnue 

5 %. Matière visible de l'Univers 

Le modèle standard de la cosmologie est prédictif. Les scientifiques vérifient ce qu'il prédit avec une extrême précision 

Pas d'autre modèle disponible 

2024 (mission de 6 ans). Satellite européen Euclid. Télescope spatial de l'Agence spatiale européenne (ESA). Étude de l'énergie noire, responsable de l'expansion observée de l'Univers. Mesurer l'expansion   

2027-2028. Simons Observatory (SO). Chili nord (Cerro Toco, désert d'Atacama) et Antarctique pôle Sud. Recherche d'indices observationnels de l'inflation. Des universités et institutions américaines construisent un ensemble de radiotélescopes