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Accueil du site > Actualités > Technologies > L’exploration de la première enfance de l’univers

L’exploration de la première enfance de l’univers

Le phénomène du Big Bang, comme ses modalités, font l'objet aujourd'hui chez les astrophysiciens d'un consensus que nous pourrions qualifier de « globalement général ». Il en est de même des évènements s'étant produits après la phase dite d'inflation, et ceux ayant marqué l'histoire de l'univers en découlant 1)

Jean-Paul Baquiast 12/11/2012

Néanmoins, fréquentes sont les observations qui sont présentées comme difficiles à expliquer dans ce cadre, concernant par exemple l'existence ou l'état de certaines étoiles ou galaxies supposées très anciennes, qui n'auraient pas eu le temps de se former et d'atteindre cet état, si l'Univers avait l'age que la théorie du Big Bang lui attribue. Mais ces observations étant épisodiques et fragiles, l'essentiel de l'histoire de l'univers, tant concernant son passé que son futur supposé, n'est pas remis en cause, sauf par des voix très hétérodoxes 2)

Par contre l'épais mystère concernant les premières centaines de milliers d'années de l'existence de l'univers après le Big Bang suscite un nombre croissant de recherches et hypothèses. Ceci est du à l'amélioration, lente mais continue, des moyens d'observer et d'analyser les informations qui nous sont parvenues de ces époques primordiales. Les plus puissants des télescopes actuels permettent d'observer l'univers tel qu'il était 500 millions d'années après sa naissance, censée s'être produite il y a environ 13,7 milliards d'années. Il ne paraît pas différent de l'univers actuel. Pour remonter en deçà, on ne dispose que des observations en micro-ondes du CMB ou fonds diffus cosmologique à 2,7 degrés kelvin et de ses anisotropies.

Après les satellites américains Cobe et Wilkinson, c'est dorénavant le satellite européen Planck qui a pris le relais. Il est conçu pour étudier avec une sensibilité fortement améliorée les infimes variations de température du fonds diffus cosmologique observées dans le domaine du micro-onde et montrant l'univers tel qu'il était 380 000 ans après le Big Bang. L'interprétation de ces variations reste évidemment difficile, Les questions posées et encore sans réponses précises demeurent nombreuses, portant notamment sur les causes de la distribution de matière-énergie qui s'est produite à ces époques, ou celles concernant les causes et l'ordre d'apparition des nuages de gaz et poussières, des galaxies et des étoiles primitives.

Une nouvelle source de rayonnement

Mais il existe dorénavant une nouvelle source de rayonnement à laquelle il devient possible de faire appel pour combler l'absence actuelle de données entre l'observation du « flash » initial et celle des premières structures galactiques datant de 500 millions d'années. Il s'agit du signal hydrogène («  hydrogen signal »).3) De quoi s'agit-il. Le phénomène révélé par l'observation du CMB a inauguré une période dite de « recombinaison ». Le cosmos né du Big Bang avait suffisamment refroidi pour que les protons et les électrons forment des atomes d'hydrogène neutre qui se sont agrégés en amas désordonnés, au sein desquels la gravité à permis que s'allument les premières étoiles. Les radiations très énergétiques en découlant ont inauguré une nouvelle phase dans l'histoire de l'univers, dite de re-ionisation. Les atomes d'hydrogène neutre formés lors de la recombinaison ont été cassés, libérant des électrons et des protons. Cette période se serait terminée 700 millions d'années environ après le Big Bang.

Dans un article du NewScientist daté du 27 octobre (voir ci-dessous) l'astrophysicien Abraham Loeb de Harvard et le chercheur Jonathan Pritchard l'Impérial College London montrent comment il est désormais possible d'observer le rayonnement fossile émanant des atomes de l'hydrogène neutre produit par la recombinaison. Lorsque les électrons et protons isolés au sein d'un atome d'hydrogène neutre enregistrent un changement d'orientation magnétique, ils émettent de l'énergie sous forme de photons à la longueur d'onde bien définie de 21 cm. L'observation de ce signal (hydrogen signal) prédit par l'astronome hollandais Heindrick van de Hulst en 1942 permet aujourd'hui de mettre en évidence les espaces du cosmos où l'hydrogène neutre ne se trouve pas, puisqu'il a été ionisé par les radiations à haute énergie provenant des étoiles ou des trous noirs super-massifs au centre des galaxies. Ceci permet de dresser des cartes des astres, ainsi qu'à l'inverse des cartes des espaces « vides » d'astres.

L'émission du signal hydrogène est par ailleurs aussi soumise à l'effet Doppler. Son étirement en longueur d'onde permet de distinguer les parties de galaxies qui s'éloignent de nous et celles qi s'en rapprochent. L'effet Doppler portant sur l'émission du signal hydrogène est encore plus intéressant quand il permet d'estimer la distance des galaxies lointaines. Plus la source est ancienne, et donc éloignée, et comme l'expansion de l'univers l'éloigne encore, plus la longueur d'onde de la radiation est étirée. Il est donc possible de construire des cartes de l'univers en 3 dimensions, dont l'une marquera l'effet de recul dans le temps. De nombreuses hypothèses pourront alors être construites concernant le comportement de l'univers dans ses premiers âges, et celui des astres et corps célestes le composant, y compris les neutrinos et la matière noire. Les questions encore sans réponses évoquées ci-dessus pourraient alors trouver des solutions.

La voie qui s'esquisse ainsi n'est cependant pas sans rencontrer un grand nombre d'obstacles. Les émissions radio provenant de l'hydrogène primitif se présentent à des longueurs d'onde d'environ 2 m, infiniment supérieures à celles des émissions radio accompagnant la lumière visible. Il faut alors disposer de radiotéléscopes d'une taille jamais encore atteinte, bien supérieure à celle des disques de 305 m de diamètres existant aujourd'hui à Arecibo, Puerto Rico. L'on devra pour l'avenir envisager des solutions à multiples antennes raccordées, comme au Giant Matrewave Radio Telescope de Pune, en Inde (voir http://en.wikipedia.org/wiki/Giant_Metrewave_Radio_Telescope). Mais celui-ci est encore trop petit pour disposer d'un pouvoir séparateur suffisant. D'autres projets existent, beaucoup plus ambitieux, en Afrique du Sud, en Australie et même sur la Lune. Ils sont gênés aujourd'hui par le manque de crédits.

Mieux connaître les premiers âges de notre univers et l'origine des différentes formes de matière qu'il contient serait cependant indispensable pour mieux comprendre son état actuel et son évolution future. Le prix vaudrait d'être payé.

Source
plantri.gif Loeb et Pritchard The missing reel http://www.newscientist.com/article/mg21628881.900-the-universe-the-full-story.html

Notes
1) Concernant l'histoire de l'univers, rappelons quelques dates aujourd'hui généralement admises :
L'univers existe depuis 15 milliards d'années. Un centième de seconde après le big-bang apparaissaient les particules atomiques, protons, neutrons, et électrons. Les noyaux de deutérium (assemblage de 1 proton, 1 neutron et 1 électron) se sont formés au bout de 1 seconde. Les noyaux d'hélium (2 protons, 2 neutrons) au bout de un quart d'heure. Puis la création va ralentir son rythme...
Les atomes les plus légers se sont formés 300.000 ans plus tard : atomes d'hydrogène (1 proton et 1 électron) et atomes d'hélium (2 proton, 2 neutrons, 2 électrons). Les nuages froids d'hydrogène et d'hélium se forment au bout de 1 million d'années.
Sous l'action de la gravitation, ces nuages se condensent et donnent naissance aux premières galaxies dans lesquelles naissent les premières proto-étoiles. Nous sommes alors 100 millions d'années après le Big-Bang.
Les étoiles et les planètes telles que nous les connaissons se sont formées au bout de 5 milliards d'années. Quant à la planète Terre, elle existe depuis 4,6 milliards d'années, soit plus de 10 milliards d'années après le Big-Bang. (source Syty.net).
2) Nous avons précédemment relaté ici l'hypothèse dite du New Big Bang Fractal due à Mario Cosentino ; dont nous sommes parfaitement incapables de juger de la pertinence. L'auteur nous a envoyé un nouveau résumé, mis à jour, que les curieux trouveront ici. http://www.admiroutes.asso.fr/larevue/2012/131/cosentino.pdf
3) Voir par exemple Mapping Cosmic Structure Using 21-cm Hydrogen Signal at Green Bank Telescope http://adsabs.harvard.edu/abs/2011AAS...21841005V


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17 réactions à cet article    


  • jean rony 13 novembre 2012 10:49

    C’est très intéressant, cette fascination insatiable des hommes pour les mystères de l’univers. J’aime constater l’évolution des théories des astrophysiciens du début du 20ème siècle avec celles d’aujourd’hui la loi de la relativité générale qui ne s’applique à la physique des quantas..
    la relation lumière matière et la complexité qui réside sur la dualité onde corpuscule du spectre électromagnétique mais je ne comprends pas pourquoi le rayonnement gamma y est inclus alors que sa source est nucléaire et non électronique !

    Jean rony icpr.ch 


    • Robert Biloute Robert Biloute 13 novembre 2012 13:39

      @jean


      ce n’est pas la source du rayonnement qui définit sa dénomination.
      Les gammas ont certes une origine nucléaire, mais ils restent représentables, à haut flux, par des ondes de type électromagnétique, c’est à dire une onde portant des champs électriques et magnétiques couplés l’un à l’autre.
      Je dis « à haut flux », parcequ’en pratique, aux énergies des gammas, on ne voit que des caractéristiques corpusculaires : chaque photon gamma transporte bcp d’énergie, en général les flux détectés sont donc faibles (peu de gammas par s) et on peut détecter photon par photon.
      A contrario, les ondes electromagnetiques a bcp plus basse fréquence (ex : radio) sont constitutées de photons de bcp plus basse énergie, et on a en général beaucoup de photons à détecter, tellement qu’en pratique on retrouve le comportement d’une onde.

      Sinon concernant la radioastronomie et l’étude de la raie HI, l’ère des grands radiotélescopes d’un seul tenant est clairement en train de se terminer. Tous les grands projets futurs sont basé sur un paradigme différent : au lieu d’une grande coupole, ou une collection de grande coupole de l’ordre de 100m au max, on met en place des antennes bcp plus simple, bcp moins chers, mais nombreuses et étalés sur une grande superficie. Cela coïncide avec la possibilité d’utiliser de la numérisation rapide du signal de chaque antenne, ce qui permet via un réseau très haut débit ad-hoc, de combiner les signaux détectés par chaque antenne dans un supercomputer central. Cette combinaison demande bcp de puissance de calcul et permet de définir plusieurs faisceux d’observations précis en même temps, tout en conservant un large champ de vue.
      On passe du coup à des radio téléscopes de surface équivalent de l’ordre du km^2.

      L’exemple le plus abouti est LOFAR (pour les basses fréquences, déjà en service), installé en europe, centralisé en hollande et s’étendant au sud jq à l’observatoire de nançay dans le cher.

      Un projet encore plus ambitieux (horizon 2020) est SKA, entre l’afrique du sud et l’australie.

      Pour la comsologie à l’aide de la raie HI, il y a le pojet BAO radio (anciennement Hubble Sphere Hydrogen Survey ou HSHS), qui en est encore à ses débuts.

    • Aristoto Aristoto 13 novembre 2012 14:05

      Imaginons donc qu’on tend bien comme il faut une corde disons de quelques millions d’années lumière de distances entre deux galaxie ! Si l’on tire un point de cette corde cela aurait t il instantanément un effet sur l’autre point ou faudra t il attendre les quelques millions d’année qu’il faut pour que « l’action » exercé sur un point n’ait les répercussion raisonnable à la physique actuelle sur l’autre extrémité ?

      Voilà une question que je me suis posé ce matin en me réveillant !


    • Automates Intelligents (JP Baquiast) 13 novembre 2012 15:13

      Il faudra attendre bien sur. Aucun mouvement ou objet ne peut se déplacer plus vite que la vitesse de la lumière


    • joelim joelim 13 novembre 2012 20:39

      Il me semble que la vitesse limitée à c de la propagation de la gravitation n’est pas vérifiée (on n’a jamais détecté de graviton). 


      C’est juste une conséquence de la théorie de la RG. Ça ne veut pas dire que ce soit vrai (la RG n’est que la dernière théorie en date...). En fait la gravitation n’est peut-être pas assimilable à une information...

      Par ailleurs je m’étonne qu’on ne puisse pas le vérifier. En regardant les impressionnants déplacements de masses au cœur de la galaxie par exemple, ne peut-on voir si la propagation de la gravitation est limitée à c ?...

    • ffi ffi 13 novembre 2012 22:17

      Jean Rony,
      La théorie de l’émission de Newton, déjà réfutée au XIXème siècle car elle impliquait une plus grande vitesse de la lumière dans l’eau que dans l’air (ce qui est le contraire des faits), mais ressuscitée par Einstein et Planck sous le terme de photon, rend malheureusement tout cela un peu confus...
       
      En fait, la lumière est toujours une onde et elle consiste en la propagation d’une orientation des dipôles électriques de la matière.
       
      Le rayon gamma, ne fait pas exception, ce qui le caractérise, c’est sa minuscule longueur d’onde, de l’ordre du nanomètre, et le dipôle qu’il montre, c’est le positronium (une paire électron/antiélectron).
       
      En fait, pour émettre une onde électromagnétique, il faut une antenne d’une longueur de l’ordre de la longueur de l’onde (souvent la moitié ou le quart), avec un circuit électrique résonnant au cul. Pour émettre un rayon gamma, il faudrait donc un antenne de l’ordre du nanomètre.
       
      C’est ce qui explique que le rayon gamma peut être considéré comme un corpuscule : l’onde se propage en ligne droite, mais comme un fil extrêmement fin, de dimension nanoscopique (de l’ordre de la longueur d’onde donc), et n’importe quel obstacle l’arrête.
       
      En revanche, les rayons de longueur d’onde macroscopique, du genre 1 mètres ou plus, peuvent aisément contourner des obstacles, et donc la modélisation en terme de photon n’est plus du tout valide (ce serait un photon d’un mètre ou plus...)
       
      D’ailleurs, sur ce point, l’auteur n’est pas très clair.
      Il parle de la longueur d’onde de 21 cm pour l’onde Hydrogène.
      Puis il évoque des antennes de plus de 300 mètres.
      Pourrait-il mieux préciser les choses, car ce n’est pas cohérent du tout.
       
      D’autre part, je n’ai jamais compris pourquoi, nous, sur une terre qui ne va certainement pas à la vitesse de la lumière, qui fut poussé de l’origine de l’univers à une certaine distance par l’expansion, distance qui est nécessairement inférieure à la distance qu’aurait parcouru un rayon de lumière émis depuis l’origine au début des temps, nous pourrions aujourd’hui observer des rayons de cette époque-là et venant de ce lieu-ci... A mon avis, ces rayons-là sont partis depuis longtemps au delà de nous...


    • Robert Biloute Robert Biloute 14 novembre 2012 15:00

      @ffi


      la relation entre la longueur d’onde émise/réçue par l’antenne et la dimension de l’antenne n’est pas en tout ou rien. Si votre antenne est plus grande ou plus petite que la longueur d’onde à détecter, vous n’aurez pas une efficacité optimale, il y aura une forte atténuation, mais pas 0 en théorie (on parvient d’ailleurs à faire des sytèmes grandes longueurs d’onde à base d’antennes circulaires de petites dimensions).

      Concernant les grands radiotélescopes, la taille de l’ordre de 100m correspond au miroir. Il réfléchit les ondes radio vers un détecteur qui lui est constitué d’une antenne, qui a des dimensions bcp plus petite.

    • ffi ffi 15 novembre 2012 10:11

      Bien-sûr, ce n’est pas tout ou rien, puisque l’émission consiste à faire résonner l’ensemble à la fréquence d’émission voulue. C’est le principe de la résonance dans un circuit électrique.
       
      Si l’on se place à la résonance propre de l’antenne, c’est-à-dire quand un aller/retour du courant dans l’antenne se fait sur une distance de l’ordre de la longueur d’onde, c’est-à-dire quand la longueur de l’antenne mesure la moitié de la longueur d’onde, alors l’émission est maximale pour une énergie minimale.
       
      Sinon, il y a des pertes.
       
      Un autre principe d’antenne, qui montre également bien le principe de l’onde électromagnétique, c’est l’antenne hélice, dont la longueur de la spire doit être de l’ordre de la longueur d’onde.
       
      Après, c’est sûr que, grâce à l’électronique, l’on peut inventer toutes sortes de stratégies pour émettre le dipôle électrique adéquat dans l’environnement. 
       
      Sinon, un grand merci pour m’avoir instruit sur le principe du Radiotélescope, je n’avais pas encore eu la curiosité de me pencher sur le sujet. C’est donc analogue aux télescopes, mais non plus dans le domaine du visible (longueur d’onde micrométrique), mais dans le domaine des ondes radios.


    •  C BARRATIER C BARRATIER 13 novembre 2012 16:30

      Merci à tous. J’admire, je suis comblé de comprendre pas mal et d’exister à mon niveau qui me suffit dans ce passé et ce devenir où je changerai d’état moi aussi, et vous tous avec..mais nous ne lirons alors plus Agoravox, tout en continuant notre évolution.
      J’ai essayé d’expliquer la philosophie de vie que cela m’inspire :

      En table alpha des news :

      « Sens de la vie, sens de l’univers »

       http://chessy2008.free.fr/news/news.php?id=59


      • joelim joelim 13 novembre 2012 20:52

        Mais sa corde n’est pas vraiment infinie. Imaginons une corde d’une seconde-lumière c-à-d d’environ 300 000 km. 


        Mais je pense que la corde ne peut pas être totalement rigide. Peut-être parce que les liaisons moléculaires ont une limite de rigidité ?...

      • Automates Intelligents (JP Baquiast) 13 novembre 2012 21:47

        A joelim
        Vous savez sans doute qu’un des pbs majeurs de la physique aujourd’hui est qu’il n’y a pas de compatibilité entre la mécanique quantique (pour qui notamment il n’y a ni temps ni espace) et la RG. Celle-ci par ailleurs n’inclue pas pour le moment la gravitation.
        Au niveau de la cosmologie, on retrouve cette incompatibilité.
        On peut penser que les théories évolueront pour résoudre ces difficultés. On peut penser aussi comme de plus en plus de physiciens aujourd’hui, que le cerveau humain n’a pas été conformé par l’évolution pour résoudre ces questions.
        J’ai effleuré ce point à la fin de mon article publié sur ce site « Comment survivre au prochain milliard d’années. Mais cela mériterait toute une étude ».
        Merci en passant à Robert Biloute pour ses précisions fort utiles concernent la future génération de radiotélescopes


        • joelim joelim 13 novembre 2012 22:17

          Moi je pense surtout que la science a du mal à remettre en question ses axiomes. Je ne vois aucune raison de penser que l’esprit humain ne soit pas capable d’appréhender de toujours meilleures théories. Je ne parle pas d’une théorie complète naturellement.


          Nécessité de théories plus unifiées certes mais – plus important je pense – moins contradictoires. La dualité ondes / particules prouve que ces deux représentations sont partiellement erronées. Et ce n’est pas qu’on manque de connaissance mais parce qu’on en a (de la mauvaise) en trop.



        • ffi ffi 13 novembre 2012 22:28

          Oui.
          Et je crois avoir résolu ce problème...
          En fait, le photon est une résurgence de la théorie de l’émission de Newton.
          Cependant, cette théorie a déjà été réfutée au XIXème siècle, car elle impliquait, pour expliquer le phénomène de réfraction, que la vitesse de la lumière fût plus grande dans le milieu d’indice plus grand. Or les mesures (de Fizeau) ont démontré le contraire...
           
          Donc, il faut oublier cette histoire de photon, elle n’est pas valide.
          Cependant, approximativement, comme la dimension du dipôle électromagnétique créé par le passage de l’onde lumineuse est de l’ordre de la longueur d’onde, pour les très hautes fréquences, donc les très courtes longueur d’onde, le rayon peut être partiellement vu comme un photon, car le diamètre du rayon lumineux est alors fort fin.

          Bref, la lumière est simplement une onde.


        • frugeky 14 novembre 2012 08:46

          Heu, une question de néophyte. C’est quoi ces différences d’énergie des photons ? Si il y a des différences d’énergie des photons, est-ce que ça veut dire que la vitesse de la lumière n’est pas constante ?


        • ffi ffi 14 novembre 2012 09:50

          L’énergie d’un rayon de lumière n’est pas du genre « énergie cinétique » (mv²), car la lumière n’est pas un corpuscule.
           
          L’onde lumineuse a une vitesse constante, qui dépend du milieu de propagation, et son énergie dépend de sa fréquence (h.nu).


        • frugeky 14 novembre 2012 09:56

           merci pour votre réponse.


        • Ruut Ruut 15 novembre 2012 17:19

          .

          La RG se démontre alors que la théorie quantique tien sa force de l’approximation.
          Les 2 doivent êtres liées mais il nous manque un facteur.

          Peut être a cause de l’imprécision de nos outils ou de la vitesse limité de ces derniers.

          Un corps se déplaçant plus vite que la vitesse de la lumière ne serait visible que par intermittence par nos outils.
          Une sorte de téléportation.

          Par contre dans l’infiniment petit ce ne serais visible que par une sorte d’aléas de résultat.

          .

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