Grâce aux télescopes les plus avancés, les astronomes d'aujourd'hui peuvent voir à quoi ressemblaient les objets il y a 13 milliards d'années, environ 800 millions d'années après le Big Bang. Malheureusement, ils sont encore incapables de percer le voile de l'âge des ténèbres cosmiques, une période qui a duré de 370, 000 à 1 milliard d'années après le Big Bang, où l'Univers était recouvert d'hydrogène neutre obscurcissant la lumière. À cause de ce, nos télescopes ne peuvent pas voir quand les premières étoiles et galaxies se sont formées, env. 100 à 500 millions d'années après le Big Bang.

Cette période est connue sous le nom d'Aube cosmique et représente la « dernière frontière » des études cosmologiques pour les astronomes. Ce novembre, Le télescope spatial James Webb (JWST) de nouvelle génération de la NASA sera enfin lancé dans l'espace. Grâce à sa sensibilité et à son optique infrarouge avancée, Webb sera le premier observatoire capable d'assister à la naissance des galaxies. Selon une nouvelle étude de l'Université de Genève, La Suisse, la capacité de voir l'aube cosmique apportera des réponses aux plus grands mystères cosmologiques d'aujourd'hui.

La recherche a été dirigée par le Dr Hamsa Padmanabhan, physicien théoricien et Collaboratrice Scientifique II à l'Université de Genève. Elle est également chercheuse principale du Fonds national suisse de la recherche scientifique (FNS) et lauréate de la bourse Ambizione 2017 (financement de recherche accordé par le FNS) pour son projet indépendant, intitulé « Sonder l'univers :à travers la réionisation et au-delà ».

Pour les astronomes et cosmologues d'aujourd'hui, la capacité d'observer l'aube cosmique représente une opportunité de répondre aux mystères cosmiques les plus durables. Alors que la première lumière de l'Univers est encore visible aujourd'hui sous le nom de fond diffus cosmologique (CMB), ce qui a suivi peu de temps après (et jusqu'à environ 1 milliard d'années après le Big Bang) a historiquement été invisible pour nos instruments les plus avancés.

Cela a gardé les esprits scientifiques dans l'ignorance (sans jeu de mots!) Sur plusieurs questions cosmologiques importantes. Non seulement les premières étoiles et galaxies se sont formées au cours de « l'âge des ténèbres, " apportant progressivement la lumière à l'Univers, c'est aussi à cette époque que la "réionisation cosmique" s'est produite. Cette période de transition est celle où presque tout le gaz neutre qui a pénétré l'Univers est censé s'être transformé en protons et électrons (aka. baryons) qui composent toute la matière « normale ».

Malheureusement, les astronomes ont été incapables d'étudier cette période de l'histoire cosmique. Une grande partie du problème provient de la façon dont la lumière de cette époque a été décalée vers le rouge au point où elle est visible dans une partie du spectre radio inaccessible aux instruments modernes (la ligne de transition de 21 cm). Mais comme le Dr Padmanabhan l'a expliqué à Universe Today par e-mail, ce n'est pas le seul obstacle à l'étude de l'Univers primitif :

"Cette période nous a échappé jusqu'à présent dans les observations en raison du haut niveau de sensibilité requis pour effectuer une détection de l'émission, combiné avec le défi de détecter le signal extrêmement faible (qui provient de l'hydrogène gazeux présent dans l'Univers primitif) en présence d'une émission de premier plan (principalement de notre propre galaxie) qui est d'environ 4 à 5 ordres de grandeur plus grande que le signal que nous veux mesurer.

En étudiant les premières étoiles et galaxies en formation, les astronomes pourront voir d'où vient 90 % de la matière baryonique (alias « lumineuse » ou « normale ») dans l'Univers et comment elle a évolué pour devenir les structures cosmiques à grande échelle que nous voyons aujourd'hui. La capacité de modéliser l'évolution de l'Univers depuis cette période jusqu'à aujourd'hui offre également l'opportunité de voir directement l'influence de la matière noire et de l'énergie noire.

De là, les scientifiques évalueront différents modèles cosmologiques, dont le plus largement accepté est le modèle Lambda-Cold Dark Matter (LCDM). Le Dr Padmanabhan a déclaré :

"L'accès à cette époque représente également un énorme saut dans notre contenu d'informations cosmologiques. C'est parce qu'il contient au moins 10, 000–100, 000 fois plus d'informations que ce qui est disponible à l'heure actuelle à partir de tous nos relevés de galaxies jusqu'à présent, ainsi que ce que nous obtenons du rayonnement du fond diffus cosmologique (CMB). C'est essentiellement le plus grand ensemble de données que nous puissions espérer avoir pour tester nos modèles de physique ! Nous pouvons explorer une suite de modèles physiques fascinants au-delà de notre modèle standard de cosmologie."

Ceux-ci incluent des modèles qui impliquent des versions non standard de Dark Matter (c'est-à-dire, « matière noire chaude »), versions modifiées de la gravité, et les théories de l'inflation qui n'impliquent pas l'énergie noire—la dynamique newtonienne modifiée (MOND). Essentiellement, les scientifiques pourront voir la gravité et l'expansion cosmique dès le début (quelques billions de seconde après le Big Bang). Pendant des années, la communauté astronomique a attendu avec impatience le jour où le James Webb serait enfin lancé dans l'espace.

Une grande partie de leur enthousiasme provient du fait que l'optique infrarouge avancée et la haute sensibilité de l'observatoire lui permettront d'observer les premières galaxies alors qu'elles étaient encore en formation. Ordinairement, la lumière des galaxies serait obscurcie par toute la poussière et le gaz interstellaires et intergalactiques qui se trouvent entre elles et la Terre. En plus des instruments existants et de nouvelle génération, dit le Dr Padmanabhan, ces galaxies seront observables pour la première fois :

"Des missions comme le JWST seront capables de détecter des galaxies extrêmement faibles qui se sont formées lorsque l'Univers n'était qu'un dixième de sa taille actuelle. Combiné avec des relevés radio comme le [Square Kilometer Array] SKA, cela nous fournira une image complète des premières sources lumineuses et de leur évolution au cours du temps cosmique. JWST fournit une profondeur, des relevés de type 'crayon-beam' dont le champ de vision total est de l'ordre de quelques minutes d'arc carré, il n'accédera donc pas aux échelles cosmologiques, mais améliorera considérablement notre compréhension des processus physiques qui ont contribué à la réionisation."

"L'ALMA détecte désormais systématiquement les galaxies dans leur émission de raie submillimétrique, tels que le carbone ionisé simple, [CII] et de l'oxygène doublement ionisé, [OIII], qui sont toutes deux des sondes de réionisation très intéressantes. La prochaine expérience COMAP-Epoch of Reionization dont je fais partie des plans pour accéder à l'émission de ligne de monoxyde de carbone (CO) autour des stades moyen à final de la réionisation, qui est un excellent traceur de formation d'étoiles. Les avant-plans ne sont pas un problème aussi grave pour les lignes submillimétriques."

C'est ce qu'on appelle l'approche multi-messagers, où les signaux lumineux de différents instruments et à différentes longueurs d'onde sont combinés. Lorsqu'il est appliqué à l'aube cosmique, dit le Dr Padmanabhan, cette approche est l'outil le plus prometteur pour mieux comprendre l'Univers. Spécifiquement, la détection des ondes gravitationnelles des premiers trous noirs supermassifs révélera comment ces forces primordiales de la nature ont influencé l'évolution galactique.

"En combinant cela avec la connaissance de l'évolution du gaz et des galaxies que nous acquérons par les sondages électromagnétiques, cela nous fournira une image complète de Cosmic Dawn, " Il a dit. " Il sera crucial pour répondre à une question en suspens en cosmologie et en astrophysique :comment se sont formés les premiers trous noirs, et quelle a été leur contribution à la réionisation ? »

La possibilité de monter des campagnes multi-messagers qui combinent des signaux infrarouges à haute sensibilité avec des signaux radio est l'une des nombreuses façons dont l'astronomie progresse si rapidement. En plus d'instruments plus sophistiqués, les astronomes bénéficieront également de méthodes améliorées, des techniques d'apprentissage automatique plus sophistiquées, et les possibilités de recherche collaborative.

Enfin et surtout, la capacité de combiner des signaux provenant de différents réseaux (et à différentes longueurs d'onde d'énergie électromagnétique) a déjà créé de nouvelles opportunités pour des campagnes d'imagerie sophistiquées. Le projet Event Horizon Telescope (EHT) en est un bon exemple, qui s'appuie sur 10 radiotélescopes dans le monde pour recueillir la lumière des SMBH (comme notre propre Sagittarius A*). En 2019, l'EHT a pris la première image d'un SMBH; dans ce cas, celle située au cœur de M87 (la galaxie elliptique supergéante de la Vierge A).

L'occasion d'effectuer des recherches de pointe abondera dans un proche avenir, et les découvertes que nous allons faire seront tout simplement révolutionnaires. Bien qu'il y ait certainement des ratés en cours de route et d'autres mystères à résoudre, une chose est sûre :l'avenir de l'astronomie sera une période très excitante !