Les premières étoiles dévoilent une nouvelle facette de la matière noire

Vue d’artiste d’une étoile primordiale.
Une équipe américaine révèle avoir détecté la signature des premières étoiles dans le rayonnement de l'Univers, 180 millions d'années seulement après le big bang. Une découverte à confirmer qui annonce une petite révolution en cosmologie. Notamment pour l'étude de la matière noire.

C'est rien moins que la découverte des premières étoiles de l’Univers qui est annoncée ce 1er mars 2018 dans la revue Nature. En utilisant une antenne de radioastronomie sensible aux grandes longueurs d'onde (entre 50 et 100 MHz), une équipe américaine menée par l'astrophysicien Judd Bowman (université d'Arizona) est parvenue à observer l'empreinte du rayonnement des premières étoiles sur la lumière du big bang. Une signature prédite de longue date, mais bien trop faible pour avoir été détectée jusqu'ici. En effet, c'est la trace d'un phénomène qui s'est déroulé il y a plus de 13,5 milliards d'années !

Les premières étoiles après le big bang

Lorsqu'une étoile brille, son rayonnement ultraviolet modifie l'état d'excitation des atomes du gaz d'hydrogène qui l'entoure. Pour la période de quelques dizaines de millions d'années où se sont allumées les premières étoiles, cela a pour conséquence de faire paraître le gaz interstellaire plus froid que la température du rayonnement cosmologique issu du big bang. D'un point de vue observationnel, cela se traduit par une empreinte caractéristique dans la lumière du big bang, que Judd Bowman et ses collègues affirment donc avoir détecté.

Selon les chercheurs, on peut désormais dire que « les étoiles existaient déjà 180 millions d'années après le big bang », et qu'elles sont parvenues à échauffer le gaz interstellaire primordial au-dessus de la température du rayonnement cosmologique « moins de 100 millions d'années plus tard ». La première période, celle de l'allumage des premières étoiles, est souvent appelée « aube cosmique » par les astrophysiciens. Elle succède aux « âges sombres » – entre le big bang et cette époque – pendant laquelle rien ne brillait dans l'univers. La seconde période est baptisée « époque de réionisation ». À la fin de la réionisation, l'Univers était totalement transparent à la lumière comme il l'est encore aujourd'hui.

 

Nouvelles hypothèses sur l’Univers jeune

Il y a toutefois une petite surprise dans les observations de Bowman et ses collègues : le signal détecté n'est pas exactement celui qu’attendaient les théoriciens... Si le désaccord ne remet pas en cause la conclusion principale sur l'âge des premières étoiles, il oblige quand même à faire de nouvelles hypothèses sur l'Univers jeune. « Soit le gaz interstellaire primordial était beaucoup plus froid qu'on le pensait jusqu'ici, soit la température du rayonnement cosmologique était plus chaud », explique l'équipe américaine dans son article.

Les chercheurs estiment avoir suffisamment bien analysé leurs données pour ne pas être victimes d'un effet lié à un rayonnement d'avant-plan. Par exemple, celui des étoiles ou du gaz interstellaire de notre propre galaxie, la Voie lactée. Selon eux, c'est donc aux théoriciens d'expliquer cette différence entre les observations et ce qui était attendu.

La matière noire en cause ?

C'est là qu'intervient le travail de Rennan Barkana, publié dans le même numéro de Nature que celui de Judd Bowman. Selon cet astrophysicien de l'université de Tel Aviv, le gaz interstellaire qui baignait les premières étoiles était effectivement plus froid encore qu'on ne l'imaginait. Pourquoi ? Parce qu'à cette époque, la matière noire interagissait avec la matière ordinaire...

La matière noire est une hypothèse devenue indispensable aux astrophysiciens depuis qu'ils ont réalisé qu'il y a plus de masse dans les galaxies et les amas de galaxies qu'ils ne peuvent en voir. Elle est composée de particules dont la spécificité serait de pouvoir interagir avec la matière ordinaire via l'attraction gravitationnelle (elle compte dans le bilan des masses de l’Univers), mais seulement elle. Autrement dit, la matière noire ne peut pas entrer en collision avec la matière ordinaire, et elle ne peut pas plus bloquer ou émettre de la lumière. Bref, elle est pratiquement indétectable parce qu'elle est transparente et traverse la matière sans le moindre frottement.

Dans le modèle de Rennan Barkana, la matière noire interagit avec la matière ordinaire lorsque cette dernière est froide. Justement, « lors de l'aube cosmique, le gaz dans l'univers a été plus froid qu'il ne l'a jamais été : il était plus chaud avant, à cause du big bang, et plus chaud après, à cause des rayons X et autres rayonnements des objets astrophysiques » précise le théoricien dans son article. La matière noire a pu interagir avec le gaz d'hydrogène pendant l'aube cosmique, et c'est ainsi qu'elle l'a refroidi un peu plus, au point d'expliquer la petite surprise des observations de Bowman.

Une petite révolution en vue ?

À l'Institut d'astrophysique de Paris, le cosmologiste Joe Silk [écouter un podcast récent à ce propos avec Joe Silk] n'est pas totalement convaincu par le modèle de Barkana : « C'est une hypothèse extrême faite sur la matière noire, juste pour expliquer une seule observation. Je préférerais que l'on trouve une explication astrophysique. » Si le chercheur israélien a raison, c'est en effet une petite révolution en cosmologie et en physique théorique qui se profile. Son explication confirmerait que les particules de matière noire se déplacent bien moins vite que la vitesse de la lumière, mais elle impliquerait aussi qu'elles sont moins lourdes que ce que prévoit la théorie standard ! D'un autre côté, son approche signifie que l'observation de l'Univers primordial en ondes radio, en plus de nous révéler l'âge des premières étoiles, peut nous aider à débusquer la matière noire – au minimum, en précisant ses propriétés...

Le chercheur fait d'ailleurs une prédiction intéressante à ce propos. Si, comme il le pense, la matière noire interagit plus que prévu avec la matière ordinaire (du moins pendant l'aube cosmique), alors l'empreinte des premières étoiles sur le rayonnement cosmologique est suffisamment intense pour pouvoir être vue de façon détaillée — et non pas seulement de manière globale, moyennée sur tout le ciel, comme l'ont fait Judd Bowman et ses collègues. Avec le futur interféromètre SKA, explique le chercheur, il devrait ainsi être bientôt possible de faire une image de l'aube cosmique sur la voûte céleste...

Le récepteur radio EDGES qui a permis de détecter la signature des premières étoiles. © Arizona State University

La feuille de route des radioastronomes et des cosmologistes pour les années à venir est donc tracée. Confirmer d'abord la découverte exceptionnelle de Judd Bowman et de ses collègues — « il y a des sources de bruit dont il faut soigneusement tenir compte, à commencer par ceux de notre propre ionosphère », prévient Joe Silk. Les équipes des instruments SARAS ou LEDA s'y préparent. Puis, peut-être, réaliser la première photo de l'éveil des étoiles dans l’Univers ?

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