Cette image simulée par ordinateur montre un trou noir supermassif au cœur d'une galaxie. La région noire au centre représente l'horizon des événements du trou noir, où aucune lumière ne peut échapper à l'emprise gravitationnelle de l'objet massif. La puissante gravité du trou noir déforme l'espace autour de lui comme un miroir funhouse. La lumière des étoiles d'arrière-plan est étirée et maculée lorsque les étoiles frôlent le trou noir. Crédit :NASA, ESA, et D. Coe, J. Anderson, et R. van der Marel (STScI)
Le Big Bang a captivé notre imagination comme aucune autre théorie scientifique :le magnifique, naissance explosive de notre Univers. Mais savez-vous ce qui s'est passé ensuite?
Environ 100 millions d'années d'obscurité.
Quand le cosmos a finalement illuminé ses toutes premières étoiles, ils étaient plus gros et plus brillants que tous ceux qui ont suivi. Ils brillaient d'une lumière UV si intense, il a transformé les atomes environnants en ions. L'aube cosmique - de la première étoile à l'achèvement de cette "réionisation cosmique", a duré environ un milliard d'années.
"D'où viennent ces étoiles ? Et comment sont-elles devenues les galaxies - l'Univers regorgeant de rayonnement et de plasma - que nous voyons aujourd'hui ? Telles sont nos questions motrices, " dit le professeur Michael Norman, Directeur du San Diego Supercomputer Center et auteur principal d'une nouvelle revue publiée dans Frontières de l'astronomie et des sciences spatiales .
L'univers en boîte
Des chercheurs comme le professeur Norman résolvent des équations mathématiques dans un univers virtuel cubique.
"Nous avons passé plus de 20 ans à utiliser et à perfectionner ce logiciel, pour mieux comprendre l'Aube Cosmique."
Commencer, Un code a été créé qui a permis de modéliser la formation des premières étoiles de l'univers. Ces équations décrivent le mouvement et les réactions chimiques à l'intérieur des nuages de gaz dans un univers avant la lumière, et l'immense attraction gravitationnelle d'une masse beaucoup plus grande mais invisible de mystérieuse matière noire.
"Ces nuages d'hydrogène pur et d'hélium se sont effondrés sous l'effet de la gravité pour s'enflammer seuls, des étoiles massives, des centaines de fois plus lourdes que notre Soleil, " explique Normand.
Les tout premiers éléments lourds se sont formés dans les noyaux des autocuiseurs des premières étoiles :juste un brin de lithium et de béryllium. Mais avec la mort de ces géants éphémères – s'effondrant et explosant en supernovae éblouissantes – des métaux aussi lourds que le fer ont été créés en abondance et projetés dans l'espace.
Des équations ont été ajoutées à l'univers virtuel pour modéliser l'enrichissement des nuages de gaz avec ces métaux nouvellement formés, ce qui a entraîné la formation d'un nouveau type d'étoile.
« La transition a été rapide :en 30 millions d'années, pratiquement toutes les nouvelles étoiles étaient enrichies de métal."
Ceci en dépit du fait que l'enrichissement chimique était local et lent, laissant plus de 80% de l'Univers virtuel sans métal à la fin de la simulation.
"La formation d'étoiles géantes sans métal ne s'est pas complètement arrêtée - de petites galaxies de ces étoiles devraient exister là où il y a suffisamment de matière noire pour refroidir des nuages primitifs d'hydrogène et d'hélium.
"Mais sans cette énorme attraction gravitationnelle, le rayonnement intense des étoiles existantes chauffe les nuages de gaz et déchire leurs molécules. Donc dans la plupart des cas, le gaz sans métal s'effondre entièrement pour ne former qu'un seul, un trou noir supermassif."
Des étoiles aux galaxies
"Les nouvelles générations d'étoiles qui se sont formées dans les galaxies sont plus petites et beaucoup plus nombreuses, en raison des réactions chimiques rendues possibles avec les métaux, ", fait remarquer Norman.
L'augmentation du nombre de réactions dans les nuages de gaz leur a permis de se fragmenter et de former plusieurs étoiles via le « refroidissement des lignes métalliques » :des zones de densité de gaz réduite, où les éléments combinés gagnent de la place pour rayonner leur énergie dans l'espace, au lieu les uns des autres.
A ce stade, nous avons les premiers objets de l'univers qui peuvent à juste titre être appelés galaxies :une combinaison de matière noire, gaz enrichi en métal, et étoiles.
"Les premières galaxies sont plus petites que prévu car le rayonnement intense des jeunes, les étoiles massives éloignent le gaz dense des régions de formation d'étoiles.
"À son tour, le rayonnement des plus petites galaxies a contribué de manière significative à la réionisation cosmique."
Ces galaxies difficiles à détecter mais nombreuses peuvent donc expliquer la date de fin prévue de l'aube cosmique, c'est-à-dire lorsque la réionisation cosmique était terminée.
Sortir des sentiers battus
Norman et ses collègues expliquent comment certains groupes surmontent les limitations de calcul dans ces simulations numériques en important leurs résultats prêts à l'emploi, ou en simplifiant les parties d'un modèle moins pertinentes pour les résultats d'intérêt.
"Ces méthodes semi-analytiques ont été utilisées pour déterminer avec plus de précision combien de temps les premières étoiles massives sans métal ont été créées, combien devraient encore être observables, et la contribution de ceux-ci, ainsi que des trous noirs et des étoiles enrichies en métal, à la réionisation cosmique."
Les auteurs mettent également en évidence des zones d'incertitude qui conduiront à une nouvelle génération de simulations, en utilisant de nouveaux codes, sur les futures plateformes de calcul haute performance.
« Ceux-ci nous aideront à comprendre le rôle des champs magnétiques, Rayons X et poussières spatiales dans le refroidissement des gaz, et l'identité et le comportement de la mystérieuse matière noire qui est à l'origine de la formation des étoiles."
