Des astronomes ont mesuré la température de l’univers 880 millions d’années après le Big Bang. Ces analyses ont été possibles grâce à la présence d’un nuage d’eau lointain qui a pu absorber une partie de la lumière du fond diffus cosmologique (CMB) il y a environ 12,9 milliards d’années.
Et la lumière fut
Il y a environ 13,8 milliards d’années, l’univers était rempli d’un plasma de rayonnement et de particules élémentaires bouillonnant. Déjà à cette époque, le cosmos était en expansion, sa densité diminuant rapidement avec le temps. Selon les lois de la thermodynamique, une telle diminution de densité entraîna alors une diminution de température. Le rayonnement thermique se refroidit également dans la mesure où les photons qui traversent le plasma devinrent de moins en moins énergétiques.
Après quelques centaines de milliers d’années, ce plasma s’est suffisamment refroidi pour que des atomes se forment sans que leurs électrons ne soient systématiquement expulsés (ionisation). Au bout de 380 000 ans, presque tous les noyaux atomiques (principalement de l’hydrogène) s’étaient alors combinés avec des électrons pour former des atomes électriquement neutres. À partir de ce moment, le rayonnement thermique restant a pu se propager dans l’espace sans encombre. À cet instant, l’univers autrefois sombre devint lumière.
De nos jours, les astronomes sont capables de voir et de mesurer cette lumière marquant la fin de la phase chaude du Big Bang. Ce type d’analyses fournit alors des informations précieuses sur l’univers primitif.
Le lien entre expansion et température
Depuis le moment où le rayonnement de fond cosmique a été libéré jusqu’à aujourd’hui, l’univers s’est agrandi d’un facteur d’environ 1100. Le rayonnement de fond cosmique, qui était à l’origine à une température d’environ 3000 Kelvin, s’est aussi refroidi. De nos jours, il atteint la Terre principalement sous la forme d’un rayonnement micro-ondes à faible énergie.
Ce lien entre l’expansion de notre univers et la température du CMB signifie qu’au fil du temps, le rayonnement de fond cosmique transporte des informations. Si nous pouvions mesurer la température du CMB à différents moments de l’histoire cosmique, nous pourrions alors être capables de reconstituer comment l’univers s’est étendu au fil du temps. Or, cette chronologie est importante, car elle est directement liée à l’une des grandes inconnues de la cosmologie moderne : l’énergie noire. Pour rappel, il s’agirait d’une force opposée à la gravité responsable de l’accélération de l’expansion de l’univers.
Une mesure directe de températures pourrait alors montrer si ce lien direct entre l’expansion de notre univers et le refroidissement du CMB peut effectivement tenir. Une comparaison avec une autre mesure de l’expansion cosmique pourrait également exclure certaines propositions plus exotiques sur la nature de l’énergie noire. Cependant, mesurer la température du CMB à différents moments de l’histoire cosmique n’est pas une mince affaire.
Prendre la température du cosmos, 880 millions d’années après le Big Bang
Dans le cadre d’une nouvelle étude publiée dans Nature, des astronomes ont pu remonter à environ treize milliards d’années. Cette prise de température a été rendue possible grâce à la présence d’un nuage d’eau froide situé dans une galaxie lointaine observée telle qu’elle était il y a environ 880 millions d’années. Toutes les observations ont été faites avec le réseau de télescopes IRAM NOEMA dans les Alpes françaises. Il s’agit d’un observatoire capable d’observer aux longueurs d’onde millimétriques, ce qui est idéal pour déterminer de tels signaux.
Ici, le CMB agissait comme une source de lumière qui, du point de vue des observateurs, se plaçait derrière le nuage, qui était plus froid que le rayonnement de fond cosmique. En analysant l’interaction des particules de lumière avec les molécules d’eau, les chercheurs ont alors pu déduire que le CMB devait avoir à cette époque une température comprise entre 16,4 et 30,2 Kelvin (-256,75°C et -242,95°C).
Le point à retenir de cette étude est qu’une telle température est cohérente avec la température de 20 Kelvin prédite pour cette époque par les modèles cosmologiques actuels. Avec ce résultat, les modèles exotiques qui prédisent une déconnexion entre la température et le taux de dilatation peuvent donc être exclus.
L’équipe de chercheurs espère maintenant pouvoir s’appuyer sur la même technique pour déterminer la température de l’univers à différents points de son histoire.
