Des astronomes observent la Lune pour étudier le big bang

Le reflet des émissions radio de la Voie lactée sur la Lune. © B.McKinley/Curtin Univ./ICRAR/ASTRO 3D
Au fin fond de l’Australie, des chercheurs observent la Lune avec des radiotélescopes. Le but : détecter le fin signal émis au moment où se sont allumées les premières étoiles de l’Univers.

En quête d’une nouvelle preuve du big bang

Une équipe conduite par Benjamin McKinley, de l’International Centre for Radio Astronomy Research (Australie), a entrepris d’observer la Lune pour sonder le passé lointain de l’Univers. « Notre but est de détecter les radiations émises lorsque les premières étoiles réchauffent l’hydrogène neutre. Sous l’effet de ce rayonnement, le gaz a été ionisé », explique le chercheur australien.

Benjamin McKinley. © ICRAR

Cette « réionisation » de l’Univers est supposée avoir eu lieu 4 millions d’années après le big bang, au moment où les premières étoiles de l’Univers se sont allumées et ont excité le milieu environnant de leurs rayonnements, juste après un stade baptisé « âge sombre ». L’Univers était alors dans sa prime jeunesse. Il n’avait que 0,03 % de son âge actuel. « Détecter ce rayonnement serait une preuve de plus en faveur de la théorie du big bang », souligne Benjamin McKinley.  

Une observation contre-intuitive

Observer la Lune pour détecter ce signal ténu et subtil est une idée pour le moins surprenante. C’est pourtant ce que les chercheurs ont réalisé avec le Murchison Widefield Array (MWA), situé dans l’ouest de l’Australie. Inauguré en 2013, cet observatoire radio est constitué de 128 antennes basse fréquence, réparties sur un diamètre de 3 km par groupes de 16.

« On peut se représenter un réseau de détecteurs radio comme un grand télescope plein de trous. À cause de cette structure, il nous manque une partie de l’information, notamment la luminosité moyenne du fond de ciel », explique l’astrophysicien australien. Or, cette partie de l’information est essentielle pour parvenir à détecter le signal émis lors de la réionisation de l’Univers.

Le Murchison Widefield Array est composé de petits groupes de 16 antennes réparties sur un diamètre de 3 km. © P. Wheeler/ICRAR

Avec un tel instrument, les astronomes peuvent juste mesurer les variations autour de la luminosité moyenne du fond de ciel. « L’astuce est que nous savons très précisément quelle devrait être la luminosité de la Lune (en fonction de sa température). Nous pouvons donc l’utiliser comme une référence. Par exemple, si on enregistre une variation de 10 kelvins au niveau de la Lune, dont la température est de 200 K, alors on peut en déduire que la température du fond de ciel est de 190 K », détaille Benjamin McKinley.   

La luminosité de la Lune dans les ondes radio sert donc à calibrer les instruments. C’est un préalable indispensable pour tenter d’extraire du fond de ciel le rayonnement émis par l’hydrogène, il y a près de 14 milliards d’années.

La Lune comme un miroir

Le signal que les astrophysiciens tentent de voir est si faible qu’ils doivent aussi tenir compte des ondes radio réfléchies par la surface de la Lune. Celles émises par la Terre, mais aussi celles émises par la Voie lactée.  

Dans l’Antiquité, les pythagoriciens pensaient que la Lune était un miroir, et ce que c’est pour cette raison que l’on observe des nuances de gris à sa surface. Aujourd’hui, on sait que ce n’est pas exact dans le domaine visible, mais c’est vrai dans le domaine radio. « Nous avons donc fait des simulations pour évaluer comment la Voie lactée se reflète sur la Lune, et nous tenons compte de ces résultats dans nos analyses », précise Benjamin McKinley.

Une vidéo issue de leur simulation montre l’aspect du reflet de la Voie lactée sur la Lune en fonction des heures. On voit que la surface courbe de notre satellite agit à la manière d’une lentille déformante.

À ce stade, les chercheurs sont en train de défricher et d’affiner leur méthode d’observation. D’autres étapes seront nécessaires avant de pouvoir observer en détail ce fameux rayonnement de l’hydrogène émis 4 millions d’années après le big bang par des interféromètres radio. À ce stade, le succès n’est pas encore garanti.

Un premier pas vers une détection

Simultanément, les chercheurs tentent leur chance avec des antennes uniques et non des interféromètres constitués de plusieurs antennes radio. Le signal est en effet moins difficile à extraire lorsque les radioastronomes utilisent une seule antenne radio : « Il y a déjà eu une possible détection par l’expérience australienne Edges (Experiment to Detect the Global EoR Signature), mais elle nécessite d’être confirmée par d’autres expériences indépendantes pour être validées par la communauté scientifique. Je pense qu’il existe dans le monde d’autres instruments capables de confirmer ou d’infirmer cette détection, mais il s’agit d’antennes simples, pas d’interféromètres », souligne Benjamin McKinley. Ces antennes simples ont potentiellement une chance de détecter le signal moyen dû à la réionisation. L’enjeu avec les interféromètres est non seulement de détecter ce signal moyen, mais aussi de cartographier ses fluctuations sur la voûte céleste.

Des moyens multipliés par 1000 !

Pour atteindre leur but, les radioastronomes comptent sur de nouvelles observations avec le MWA, mais ils peuvent aussi miser sur l’avenir florissant de leur discipline. Dans les prochaines années, les moyens à leur disposition vont être plus que décuplés. En fait, le MWA n’est que la première pierre d’un projet bien plus ambitieux : le SKA, pour Square Kilometer Array.

Ce projet international est composé d’un observatoire radio en Afrique du Sud, tel qu’on se le représente habituellement : les antennes ont une forme de parabole. Mais pour étudier les plus basses fréquences, un ensemble bien plus vaste sera déployé en Australie, et il sera constitué de simples antennes plus proches de conception d’une antenne télé que d’un télescope. À terme, le SKA comptera 1000 fois plus d’antennes que le MWA !

« Je pense que le SKA sera capable de voir sur le fond de ciel les fluctuations liées au signal de réionisation, mais nous ne savons pas encore s’il sera capable de mesurer le signal global ; sa moyenne sur l’ensemble de la voûte céleste. Nos observations finiront peut-être par démontrer qu’il est impossible de déterminer ce signal moyen depuis la Terre à cause des interférences radio et des perturbations de l’ionosphère », tempère Benjamin McKinley.

En cas d’échec de ce projet, les chercheurs devront miser sur des observations spatiales, éloignées de toutes les perturbations de l’environnement naturel et artificiel terrestre. « Il existe déjà des projets d’expérience depuis le sol lunaire ou en orbite autour de la Lune. Elles seront les mieux placées pour déterminer ce signal moyen émis à l’époque de la réionisation », conclut Benjamin McKinley.

 

A écouter aussi : notre podcast sur les projets d’observatoires lunaires, avec Joseph Silk

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