Mauvaise astronomie | SImulation montre la lumière émergeant des galaxies au moment de leur naissance

Étudier le très L’univers lointain est difficile. C’est parce que – pour ne pas être trop sur le nez à ce sujet – c’est loin.

Cela rend les choses difficiles pour de nombreuses raisons. Les objets éloignés sont petits et faibles, nous avons donc besoin de grands télescopes pour les voir. Mais l’Univers est en expansion, et cela signifie que plus un objet est éloigné, plus vite il s’éloigne de nous ; pour arriver jusqu’à nous, la lumière émise par des objets éloignés perd de l’énergie – ce que nous appelons le décalage vers le rouge – et à des distances suffisamment grandes pour transformer la lumière ultraviolette en infrarouge. Le télescope spatial James Webb aidera à cela, mais même ce grand nouvel observatoire aura du mal à voir au-delà d’une certaine distance.

Un autre problème difficile est la vitesse finie de la lumière. Au début, cela ressemble à une bénédiction; regarder des objets éloignés signifie que nous les voyons tels qu’ils étaient il y a des milliards d’années, lorsque l’Univers était jeune, parce qu’il a fallu autant de temps pour que la lumière nous atteigne. On peut observer directement les débuts du cosmos ! Mais cela signifie également que si nous essayons de regarder trop loin en arrière, les premières étoiles ne seront même pas encore nées, les galaxies n’existent pas encore et la lumière qui nous est envoyée depuis cette distance et ce temps lointains est difficile à interpréter.

Nous avons cependant quelques indices. Le ciel brille dans les micro-ondes, l’énergie restante du Big Bang décalée vers le rouge d’un facteur mille. La structure que nous voyons dans cette lueur raconte les graines des superamas de galaxies avant même leur formation. Et nous avons des modèles théoriques sur la façon dont la matière – y compris la matière noire – s’est comportée à l’époque, nous donnant au moins un cadre pour comprendre ce qui se passait à l’époque.

Mais quels sont les détails ? Comment les galaxies se sont-elles développées à partir de l’agglomération primordiale de matière ? Comment ces structures émettaient-elles de la lumière ? Qu’est-il arrivé à cette lumière sur son chemin vers la Terre ?

Pour cela, nous devons nous appuyer sur des modèles de l’Univers basés sur une physique connue. Et nous avons beaucoup de physique à notre disposition… suffisamment pour qu’une équipe de scientifiques ait créé une suite logicielle appelée Thesan – du nom, à juste titre, d’après la déesse étrusque de l’aube – qui peut simuler les conditions de l’Univers primitif en fonction de la normalité et de l’obscurité. la matière interagit et circule, le comportement des champs magnétiques, etc.

Dans une série d’articles qui vient de paraître [link to papers one, two, and three], ils présentent des simulations d’un morceau de l’Univers de 300 millions d’années-lumière de côté alors qu’il évolue sur un milliard d’années, commençant peu de temps après la création de l’Univers. Ils tracent la quantité de lumière émise, quel type de lumière – différents atomes émettent de la lumière à différentes couleurs – et ce qui lui arrive lorsqu’il se déplace. Ce qu’ils ont fini par voir, c’est la naissance de toute la structure que nous voyons maintenant lorsque nous regardons dans le cosmos.

Au fur et à mesure que cette vidéo se déroule, vous pouvez d’abord voir des éclairs de lumière provenant de galaxies de faible masse lorsqu’elles se forment et subissent des rafales de formation d’étoiles. Cette lumière se propage au fil du temps et commence à illuminer la structure à grande échelle de l’Univers : de gigantesques filaments de gaz interconnectés qui se forment sous forme de matière noire effondrée gravitationnellement en longs serpentins et de matière “normale” – protons, électrons, etc. ; l’étoffe dont nous sommes faits – telle qu’elle est attirée en eux. Les plus petites structures sont devenues des galaxies, qui se sont agrégées en amas, et des amas d’amas appelés superamas.

Le temps s’étend de quelques centaines de millions d’années après le Big Bang à un peu plus d’un milliard d’années après. Pour des raisons mathématiques, les cosmologistes mesurent le temps comme décalage vers le rouge ; plus le décalage vers le rouge est élevé, plus vous voyez loin dans le temps. C’est représenté par la lettre zque je décris dans un article sur la naissance des premières étoiles dans l’Univers.

Cette ère de l’Univers est importante. Peu de temps après le Big Bang, l’Univers était si chaud que toute la matière qu’il contenait était ionisée ; les électrons ne pouvaient pas se combiner avec les protons sans être immédiatement éjectés à nouveau par la lumière à haute énergie. À ce stade, l’Univers était opaque à la lumière, car les photons frappaient des électrons libres et se déclenchaient dans des directions aléatoires.

Mais au fur et à mesure de l’expansion de l’Univers, il s’est refroidi et, sur une courte période, des électrons se sont combinés avec des protons pour former de l’hydrogène neutre. Cette période est appelée de manière quelque peu confuse recombinaison, et s’est produit quelque chose comme 400 000 ans après le Big Bang. L’Univers est devenu transparent à la lumière.

Mais ensuite, quelques millions d’années plus tard, les premières étoiles sont nées (et, probablement, d’énormes trous noirs dévoraient la matière et émettaient également des radiations). Cette lumière à haute énergie a réionisé l’Univers, nous appelons donc cette période réionisation. Vous pourriez penser que cela rendrait à nouveau l’Univers opaque, mais pendant tout ce temps, le cosmos s’est étendu et est devenu moins dense. Au moment de la réionisation, la matière était suffisamment étalée pour que la lumière puisse encore parcourir une longue distance avant de toucher un électron, de sorte que l’Univers est resté transparent.

Cependant, localement, à l’intérieur des galaxies et autour d’elles, la matière était suffisamment épaisse pour absorber la lumière. Cela signifie que nos télescopes, à 12 milliards d’années-lumière ou plus, ont du mal à voir la lumière de ces objets distants.

La beauté des simulations comme Thesan est que les scientifiques peuvent modéliser comment la lumière s’échappe de ces galaxies, ce qui leur permet de prédire ce qu’un télescope assez grand pourrait réellement voir. Dans un article, ils montrent en fait des modèles de galaxies extrêmement lointaines – ce que les astronomes appellent des «galaxies à décalage vers le rouge élevé» – et à quoi elles ressembleraient si elles étaient observées par le télescope spatial James Webb. C’est astucieux, car lorsque JWST commence à prendre des images super profondes, il peut confirmer ou réfuter les simulations. Si ce qu’il voit est très différent, cela signifie que l’entrée de la physique dans les simulations n’est pas correcte ; peut-être que les températures étaient trop élevées, ou que la matière était moins dense dans l’Univers réel que dans les modèles, ou que la façon dont la matière s’agglutinait pour former des galaxies était différente. Tout cela nous en dit plus sur la façon dont l’Univers s’est comporté quand il était jeune.

Pendant des siècles, les plus grandes questions que nous pouvions nous poser étaient apparemment sans réponse : pourquoi sommes-nous ici ? Pourquoi l’Univers ressemble-t-il à cela ? Comment tout cela a-t-il commencé ?

Et maintenant, avec la science, nous pouvons commencer une enquête factuelle sur ces questions et vérifier nos réponses en regardant dans l’Univers lui-même.

Le cosmos a parcouru un long chemin. Donc nous avons.

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