Dans les premiers temps, l'univers était un mélange énergétique de particules en interaction forte. Les premières particules à se libérer de cette soupe dense étaient les neutrinos, les particules les plus légères et les plus faiblement interactives du modèle standard de la physique des particules. Ces neutrinos sont toujours autour de nous aujourd'hui, mais sont très difficiles à détecter directement car ils interagissent si faiblement. Une équipe internationale de cosmologistes, dont Daniel Baumann et Benjamin Wallisch de l'Université d'Amsterdam, ont maintenant réussi à mesurer l'influence de ce "fond de neutrinos cosmiques" sur la façon dont les galaxies se sont regroupées au cours de l'évolution de l'univers. La recherche a été publiée dans Physique de la nature cette semaine.

Lorsqu'un caillou tombe dans un étang, il crée des ondulations à la surface de l'eau qui se déplacent vers l'extérieur en cercles concentriques. De la même manière, les régions du plasma primordial avec les plus grandes densités ont produit des couches de matière (principalement des protons et des électrons) se propageant vers l'extérieur à presque, mais pas tout à fait, la vitesse de la lumière. Cette poussée de matière vers l'extérieur a été créée par le grand nombre de photons de haute énergie dans l'univers primitif.

Environ 380, 000 ans après le Big Bang, lorsque les électrons libres ont été capturés par des protons pour se combiner en atomes d'hydrogène électriquement neutres, l'étalement de ces couches de matière s'est arrêté car les photons ont cessé d'interagir avec les électrons. Les coquilles de matière gelées résultantes sont devenues les régions denses dans lesquelles un excès de galaxies finirait par se former. Cela prédit qu'un nombre accru de paires de galaxies devrait être trouvé à une séparation d'environ 500 millions d'années-lumière, correspondant à la taille des coquilles gelées créées dans l'univers primitif. En 2005, cet effet a en effet été observé pour la première fois dans la distribution des galaxies mesurée par le Sloan Digital Sky Survey (SDSS).

Un effet neutrino

La présence du fond de neutrinos cosmiques affecte l'image décrite ci-dessus d'une manière subtile, mais de manière pertinente. Après les neutrinos découplés du reste de la matière primordiale, ils ont commencé à voyager à la vitesse de la lumière, légèrement plus rapide que le reste de l'affaire. Les coquilles de neutrinos ont donc dépassé les coquilles de matière. Par conséquent, l'attraction gravitationnelle des neutrinos a légèrement déformé les enveloppes de matière, créant de petites distorsions dans les graines pour la formation des galaxies à des moments beaucoup plus tardifs. Cette influence des neutrinos cosmiques sur la structure à grande échelle de l'univers devrait être détectable en analysant soigneusement l'amas de galaxies.

Dans leur papier, Baumann et ses collaborateurs ont étudié de nouvelles données SDSS d'environ 1,2 million de galaxies, à une distance d'environ 6 milliards d'années-lumière. Leur analyse statistique confirme la signature attendue du bain de neutrinos cosmiques qui remplit tout l'espace. Cette nouvelle mesure constitue une confirmation intéressante du modèle cosmologique standard qui lie la production de neutrinos une seconde après le Big Bang à l'amas de galaxies des milliards d'années plus tard.