Âge sombre cosmique: JWST jettera un coup d’œil dans le passé lointain

Il y a quelques semaines, j’ai écrit un article contre le multivers, une idée qui émerge des scientifiques qui étudient les frontières de la cosmologie. Cela a déclenché un débat entre moi et mon collègue astrophysicien BigThink Ethan Siegal (qui est très favorable au multivers). Bien que nos échanges aient été super intéressants et amusants, je ne veux pas que quiconque s’éloigne de cet échange en pensant que je suis en quelque sorte anti-cosmologie. Bien que je n’aie pas publié d’articles sur l’étude de l’histoire de l’univers, j’ai enseigné la classe aux niveaux du premier cycle et des cycles supérieurs. A chaque fois que je le fais, ça m’épate. C’est comme lire le matériel pour la première fois.

Dans cet esprit, je voulais aujourd’hui dévoiler un aspect clé de notre récit cosmologique moderne qui sera à l’honneur lorsque le télescope spatial James Webb sera mis en ligne : l’ère de la réionisation.

Un grand modèle

Le meilleur modèle que nous ayons pour l’évolution de l’Univers est le Big Bang. Selon ce modèle, l’Univers a commencé comme un complexe d’espace, de temps, de matière et d’énergie infiniment dense et infiniment chaud. De ces conditions initiales est venue l’expansion de l’espace-temps. Cela a conduit à tout ce que nous voyons aujourd’hui : les galaxies, les planètes, les gens – tout.

Le Big Bang est une assez grande idée. Cela laisse aux astronomes beaucoup de détails à déballer, à commencer par depuis les premiers stades de l’Univers, un zillionième de seconde après le début de l’expansion, jusqu’au cosmos que nous voyons 13,8 milliards d’années plus tard. Un détail auquel les astronomes ont longtemps réfléchi est ce qui s’est passé après la formation du plasma cosmique d’hydrogène et d’hélium – cela a pris forme environ 300 000 ans après le Big Bang – mais avant l’assemblage complet des galaxies.

Pendant des années, les scientifiques ont construit leurs modèles de Big Bang sur l’idée que l’Univers se refroidissait en continu au fur et à mesure de son expansion. Cela a permis à des choses intéressantes de se produire en cours de route. Après quelques centaines de milliers d’années, par exemple, la boule de feu initiale de la création – ce n’est pas vraiment une boule, c’est tout l’espace-temps – se serait refroidie à une température qui permet aux protons et aux électrons de se déplacer assez lentement pour s’accrocher les uns aux autres et forment les premiers atomes d’hydrogène.

L’âge des ténèbres cosmiques

La formation d’hydrogène marque une transition critique pour l’univers naissant. Une fois que beaucoup d’hydrogène existe, la relation entre la matière et le rayonnement change radicalement. Certains types de lumière qui étaient enfermés dans une danse étroitement couplée avec la matière sont soudainement libérés pour parcourir l’Univers sans entrave. D’autres types de lumière sont soudainement piégés. Cela arrive aux photons ultraviolets puissants (ce qui vous donne un coup de soleil).

Les atomes d’hydrogène sont comme des éponges UV ; ils aiment absorber les particules de lumière UV. La lumière UV a du mal à se déplacer librement dans l’Univers une fois que l’hydrogène se forme. Toute lumière UV émise est absorbée par les atomes d’hydrogène voisins. La présence de grandes quantités d’hydrogène signifie que l’univers est sombre (au moins en termes de lumière ultraviolette). En fait, les scientifiques appellent la période suivant la formation de l’hydrogène « l’âge des ténèbres ».

Faire briller une lumière

L’univers dans lequel nous vivons maintenant est cependant beaucoup plus transparent. Cela signifie que finalement l’âge des ténèbres doit avoir pris fin. Les astronomes ont longtemps cru que la première génération d’étoiles (et de trous noirs) avait aidé à mettre fin à l’âge des ténèbres. Lorsque le jeune univers a suffisamment mûri pour permettre aux étoiles de se former (peut-être quelques centaines de millions d’années après le Big Bang), la lumière qu’elles émettaient était suffisamment puissante pour déchirer les atomes d’hydrogène flottant dans l’espace. La lumière ionise l’hydrogène, éloignant le seul électron de l’atome du seul proton de son noyau.

Alors que l’univers commence à se remplir d’étoiles, la quantité d’hydrogène gazeux dans l’espace diminue. Les astronomes appellent cela la période de réionisation. Ils croient que s’ils regardent assez loin dans l’espace – ce qui signifie assez loin dans le temps – ils devraient éventuellement voir où se produit la réionisation. Ce sera la frontière entre l’ancien univers sombre et le nouveau, transparent. Au cours de la dernière décennie, de nombreuses études approfondies dans le passé cosmique nous ont donné des aperçus de cette ère de réionisation.

Un moment pour réfléchir

Avec le lancement du télescope spatial James Webb, une nouvelle fenêtre s’ouvrira sur la fin de l’âge sombre cosmique. Le télescope est optimisé pour la lumière infrarouge. En raison de l’expansion de l’Univers, les photons associés à la lumière UV à courte longueur d’onde ont vu leurs longueurs d’onde s’étendre dans la bande infrarouge plus longue. Cela fait du nouveau télescope l’instrument parfait pour capturer les détails de l’âge sombre cosmique et de la réionisation.

Ce qui me ramène à quel point la cosmologie est époustouflante en tant que domaine scientifique. Je peux avoir des doutes sur des idées comme le multivers qui émergent de l’étude des premiers instants après le Big Bang. Mais ce n’est pas tout ce qu’il y a dans les études cosmologiques. Cartographier l’histoire de l’univers entier est l’entière tâche du domaine. Alors que nous commençons notre plongée profonde dans l’ère de la réionisation via le télescope spatial James Webb, nous pouvons nous rappeler à quel point cette histoire est devenue détaillée et jusqu’où nos connaissances cosmologiques nous ont menés.

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