Pour la première fois, des astronomes observent l’aube cosmique depuis la Terre

Pour la première fois, des astronomes ont réussi à observer la lumière micro-onde polarisée datant des débuts de l’Univers en utilisant un télescope situé sur Terre. Les chercheurs ont ainsi capté des traces lumineuses remontant à plus de 13 milliards d’années, une époque appelée « l’aube cosmique », lorsque les premières étoiles ont commencé à illuminer et transformer l’Univers. Cette prouesse pourrait ouvrir la voie à une meilleure compréhension de l’évolution de l’Univers.

Une avancée technologique majeure

Cette lumière résiduelle, d’une longueur d’onde de quelques millimètres et extrêmement faible, est difficile à détecter depuis le sol, car elle est atténuée par l’atmosphère terrestre. Jusqu’à présent, seules des observations réalisées depuis l’espace avaient permis d’étudier ce phénomène. Grâce au projet CLASS (Cosmology Large Angular Scale Surveyor), les scientifiques ont toutefois franchi cette barrière. En utilisant un télescope spécialement conçu pour cette tâche, ils ont détecté des signaux laissés par la première génération d’étoiles sur la lumière issue du Big Bang. Les résultats de cette recherche ont été publiés dans The Astrophysical Journal.

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« Beaucoup pensaient qu’une telle observation était impossible depuis la Terre », explique Tobias Marriage, l’un des auteurs de l’étude et responsable du projet CLASS. « L’astronomie est un domaine où les progrès dépendent de la technologie. Observer les signaux micro-ondes de l’aube cosmique au sol est un défi immense en raison des interférences atmosphériques, ce qui rend cette réalisation particulièrement impressionnante. »

Installé à 5 138 mètres d’altitude dans le désert d’Atacama, au Chili, l’observatoire CLASS bénéficie d’un emplacement idéal pour minimiser ces interférences. Ce télescope, opérationnel depuis 2016, est conçu pour capter les fréquences micro-ondes et cartographier 75 % du ciel nocturne. Sa sensibilité exceptionnelle lui permet de détecter des signaux provenant des tout premiers milliards d’années de l’Univers.

Retour aux origines de l’Univers

Pour comprendre l’importance de cette détection, il faut remonter aux premiers instants après le Big Bang. Pendant les 380 000 premières années après le Big Bang, l’Univers était un nuage dense d’électrons empêchant la lumière de circuler librement. En se refroidissant et en s’étendant, ce nuage a permis aux électrons de s’associer aux protons pour former des atomes d’hydrogène. Ce processus a libéré la lumière connue aujourd’hui sous le nom de fond diffus cosmologique (CMB, pour Cosmic Microwave Background).

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Par la suite, dans certaines régions où l’hydrogène était dense, la gravité a provoqué l’effondrement de ces nuages pour former les premières étoiles. Ces étoiles ont émis une lumière intense, réionisant les poches d’hydrogène environnantes et modifiant subtilement le CMB en le polarisant. Ce signal polarisé est un élément clé pour mieux comprendre les débuts de l’Univers.

Une précision accrue grâce au télescope CLASS

Jusqu’à présent, seules des missions spatiales comme le satellite WMAP de la NASA ou le télescope Planck de l’Agence spatiale européenne avaient permis d’entrevoir ces signaux. Cependant, une fois en orbite, ces instruments ne peuvent plus être modifiés ou améliorés. De plus, leurs observations restent partiellement parasitées par des interférences instrumentales et environnementales.

« Obtenir des mesures plus précises du signal de réionisation est une étape essentielle pour percer les mystères du fond diffus cosmologique », affirme Charles Bennett, professeur de physique à l’université Johns-Hopkins et ancien responsable de la mission WMAP. En croisant les données de CLASS avec celles de Planck et WMAP, les chercheurs ont pu affiner leurs observations et isoler plus précisément le signal polarisé du CMB.

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Ces nouvelles données offrent un aperçu inédit de l’Univers primordial. « L’Univers est pour nous un immense laboratoire de physique », explique Bennett. « Des observations plus précises nous aident à mieux comprendre des phénomènes comme la matière noire ou les neutrinos, ces particules insaisissables mais omniprésentes dans l’Univers. »

Par ailleurs, l’aube cosmique s’est terminée 200 millions d’années plus tard que ne le pensaient les cosmologistes.