L’ombre d’un nuage d’eau cosmique révèle la température du jeune univers

par Houssen Moshinaly · 8 février 2022

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Un groupe international d’astrophysiciens a découvert une nouvelle méthode pour estimer la température de fond cosmique des micro-ondes du jeune Univers seulement 880 millions d’années après le Big Bang. C’est la première fois que la température du rayonnement de fond cosmique des micro-ondes – une relique de l’énergie libérée par le Big Bang – est mesurée à une époque aussi ancienne de l’Univers. Le modèle cosmologique dominant suppose que l’Univers s’est refroidi depuis le Big Bang – et continue de le faire. Le modèle décrit également comment le processus de refroidissement devrait se dérouler, mais jusqu’à présent, il n’a été directement confirmé que pour des temps cosmiques relativement récents. La découverte non seulement établit une étape très précoce dans le développement de la température de fond cosmique, mais pourrait également avoir des implications pour l’énigmatique énergie noire. L’article ‘Température de fond des micro-ondes à un décalage vers le rouge de 6,34 à partir de H₂O absorption’ a été publié dans La nature aujourd’hui.

Les scientifiques ont utilisé l’observatoire NOEMA (Northern Extended Millimeter Array) dans les Alpes françaises, le radiotélescope le plus puissant de l’hémisphère nord, pour observer HFLS3, une galaxie massive en étoile à une distance correspondant à un âge de seulement 880 millions d’années après la Grande Claquer. Ils ont découvert un écran de gaz d’eau froide qui projette une ombre sur le rayonnement de fond cosmique des micro-ondes. L’ombre apparaît parce que l’eau plus froide absorbe le rayonnement micro-onde plus chaud sur son chemin vers la Terre, et son obscurité révèle la différence de température. Comme la température de l’eau peut être déterminée à partir d’autres propriétés observées du starburst, la différence indique la température du rayonnement relique du Big Bang, qui à l’époque était environ sept fois plus élevée que dans l’Univers aujourd’hui.

«Outre la preuve du refroidissement, cette découverte nous montre également que l’Univers à ses débuts avait des caractéristiques physiques assez spécifiques qui n’existent plus aujourd’hui», a déclaré l’auteur principal, le professeur Dominik Riechers de l’Institut d’astrophysique de l’Université de Cologne. «Assez tôt, environ 1,5 milliard d’années après le Big Bang, le fond diffus cosmologique était déjà trop froid pour que cet effet soit observable. Nous avons donc une fenêtre d’observation unique qui ne s’ouvre que sur un très jeune Univers», a-t-il poursuivi. En d’autres termes, si une galaxie avec des propriétés par ailleurs identiques à HFLS3 devait exister aujourd’hui, l’ombre de l’eau ne serait pas observable car le contraste de températures requis n’existerait plus.

“Cette étape importante confirme non seulement la tendance au refroidissement attendue pour une époque beaucoup plus ancienne qu’il était auparavant possible de mesurer, mais pourrait également avoir des implications directes sur la nature de l’énergie noire insaisissable”, a déclaré le co-auteur, le Dr Axel Weiss du Max Planck Institute for Radio Astronomy (MPIfR) à Bonn. On pense que l’énergie noire est responsable de l’expansion accélérée de l’Univers au cours des derniers milliards d’années, mais ses propriétés restent mal comprises car elle ne peut pas être observée directement avec les installations et les instruments actuellement disponibles. Cependant, ses propriétés influencent l’évolution de l’expansion cosmique, et donc la vitesse de refroidissement de l’Univers au cours du temps cosmique. Sur la base de cette expérience, les propriétés de l’énergie noire restent – pour l’instant – cohérentes avec celles de la “constante cosmologique” d’Einstein. “C’est-à-dire un univers en expansion dans lequel la densité d’énergie noire ne change pas”, a expliqué Weiss.

Après avoir découvert un tel nuage d’eau froide dans une galaxie en étoile au début de l’Univers, l’équipe se prépare maintenant à en trouver beaucoup d’autres dans le ciel. Leur objectif est de cartographier le refroidissement de l’écho du Big Bang au cours des 1,5 premiers milliards d’années de l’histoire cosmique. «Cette nouvelle technique fournit de nouvelles informations importantes sur l’évolution de l’univers, qui sont très difficiles à contraindre autrement à des époques aussi précoces», a déclaré Riechers.

«Notre équipe suit déjà cela avec NOEMA en étudiant l’environnement d’autres galaxies», a déclaré le co-auteur et scientifique du projet NOEMA, le Dr Roberto Neri. “Avec les améliorations attendues de la précision des études sur de plus grands échantillons de nuages d’eau, il reste à voir si notre compréhension de base actuelle de l’expansion de l’Univers tient.”

Dominik Riechers (Université de Cologne) a mené l’étude avec ses collègues Axel Weiss (Institut Max Planck de radioastronomie, MPIfR), Fabian Walter (Institut Max Planck d’astronomie, MPIA), Christopher L. Carilli (Observatoire national de radioastronomie, NRAO ), Pierre Cox (Institut d’Astrophysique de Paris, IAP, et Sorbonne Université), Roberto Decarli (INAF — Osservatorio di Astrofisica e Scienza dello Spazio), et Roberto Neri (Institut de RadioAstronomie Millimétrique, IRAM).

L’étude a été financée par la US National Science Foundation, la Fondation Alexander von Humboldt, la Max Planck Society, l’Institut National des Sciences de l’Univers/Centre National de la Recherche Scientifique et l’Instituto Geográfico Nacional.

Source de l’histoire :

Matériaux fourni par Université de Cologne. Remarque : Le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.