Les âges sombres de l’Univers, une époque de transition vers tous les possibles

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Le monde étrange des âges sombres est notre monde. Il portait en germe ce que nous sommes devenus et ce que nous deviendrons. Pour le moment profitons, sans illusion, de la stabilité apparente qui nous est offerte simplement parce que notre vie est courte.

Par Pierre Brisson.

Je vais aujourd’hui vous parler de la période des âges sombres de l’Univers, intrigante parce qu’elle est celle de la gestation de tous les possibles et qu’elle est forcément mal connue puisque sombre. C’est pendant ce temps-là qu’après avoir été finalement libérée violemment du plasma primordial par l’expansion, la matière a été réorganisée patiemment par la gravité et les trois autres forces fondamentales de la physique, en fonction des anisotropies (irrégularités) existant à la surface de dernière diffusion.

Les âges sombre, il y a très longtemps

Sur une histoire commençant il y a 13,8 milliards d’années, avec le big-bang, les âges sombres se situent entre 380 000 (précisément) et quelques 400 000 000 années (limite beaucoup plus floue avec une grosse marge d’imprécision). Il y a donc très longtemps ! Depuis le début (Big-bang), le développement de l’Univers a suivi une trajectoire logique portée par les grandes forces fondamentales susmentionnées qui le structurent.

Mais l’époque des âges sombres est particulièrement intéressante comme transition entre un Univers compact et celui que nous connaissons aujourd’hui, fait de vide, de galaxies, d’étoiles et de nuages, filamenteux ou non, de gaz.

Que s’est-il passé en l’an de grâce 380 000 après le Big-bang ? Il s’est passé ce que l’on appelle le découplage, c’est-à-dire le moment où la densité et la température de l’Univers en expansion se sont suffisamment abaissées pour que le rayonnement électromagnétique puisse soudain s’échapper de la matière comme le pollen au printemps, par tous les interstices de vide qui s’ouvraient entre les particules, protons et électrons, qui le composaient.

On le sait puisque par chance et par malheur, du fait de la finitude de la vitesse de la lumière, plus nous regardons loin, plus notre regard est courbé vers le passé et qu’en même temps que nous constatons la présence d’un rayonnement diffus multidirectionnel ou isotrope, le fond diffus cosmologique, expression de la surface de dernière diffusion d’un Univers compact, nos instruments d’observation nous permettent de remonter naturellement dans le temps, jusqu’aux premières galaxies.

C’est ce qui nous permet aussi de faire le lien logique entre les premiers rayonnements galactiques et l’origine du fond diffus, et nous permet de parler de la période entre-deux de laquelle nous ne recevons aucun rayonnement, celle des âges sombres.

Simultanément au découplage, les protons s’assemblèrent aux électrons pour constituer des atomes neutres et l’Univers se trouva temporairement empli d’une matière totalement neutre électriquement (là où il n’y avait ni vide ni rayonnement). Mais la surface de dernière diffusion, c’est-à-dire le dernier moment où l’Univers constituait dans sa totalité un plasma, n’était pas lisse et totalement homogène. Du fait qu’il était en expansion, ce plasma était en effet parcouru par des courants causés par des ondes acoustiques baptiséese oscillation acoustique des baryons (BAO). Ce phénomène y créait des irrégularités de masse, mouvantes, les anisotropies, comme des nodules en profondeur qui, au dernier moment, s’ouvrirent comme des coques sur le nouveau vide, déterminant pour le passé, une surface.

Certains astrophysiciens pensent que ces nodules renfermaient aussi bien de la matière baryonique que de la matière-noire1. Quoi qu’il en soit, ces anisotropies subsistèrent en trois dimensions dans l’Univers ouvert qui venait de naître (mes lecteurs fidèles n’oublient pas qu’à côté de ces anisotropies causées par les BAO, Roger Penrose espère en trouver d’autres qui témoigneraient de l’existence d’au moins un autre éon avant le Big-bang).

L’Univers poursuivit évidemment son expansion portée par l’impulsion du Big-bang et de la phase d’inflation qui le suivit (l’accélération tout à fait marginale au début ne se manifeste sensiblement qu’après 6 ou 7 milliards d’années). La gravité ne pouvait immédiatement reconcentrer la matière autour des anisotropies existant au moment du découplage. Bien que diffuse, comme elle restait quand même dense, l’Univers n’était donc qu’un grand brouillard, irrégulier en densité ; et ce brouillard se gonflait à grande vitesse en tourbillonnant dans une nuit presque complète éclairée confusément par le rayonnement de la surface de dernière diffusion et son propre rayonnement beaucoup plus faible (voir illustration de titre).

Les anisotropies se perpétuaient cependant dans les masses informes, quand même plutôt sphériques et de volumes comparables (la force de gravité liée à la masse jouait déjà bien sûr son rôle), de ce qui allait devenir les galaxies sombres, se différenciant de plus en plus les unes des autres en se resserrant chacune sur elle-même dans un vide de plus en plus étendu.

Les premières étoiles

Il faudra un certain temps, jusque vers peut-être 200 millions d’années, pour que les concentrations de matière deviennent suffisamment denses pour que les premières étoiles s’allument au sein de ces galaxies sombres, en commençant leur processus de fusion nucléaire, et entreprennent par leur rayonnement (largement ultra-violet) de ré-ioniser lentement les éléments de matière composant l’Univers (séparant les électrons des atomes). Ceux qui croient à la présence d’une matière noire mêlée à la matière baryonique pensent, sans en avoir la preuve, qu’elle joua un rôle dans cette re-concentration.

Mais peut-être est-ce simplement l’éloignement des masses les unes des autres causé par l’expansion, qui favorisa l’attirance gravitationnelle interne de chacune en atténuant de plus en plus les attirances contrariantes ? Le processus sera long puisqu’il faudra attendre jusqu’à près de un milliard d’années après le Big-bang pour qu’il aboutisse, c’est-à-dire qu’à force de concentrations stellaires, le vide se dégage totalement du brouillard, les molécules d’hydrogène et d’hélium libres se structurent en filaments nuageux liant les galaxies ou en nuages à l’intérieur des galaxies, et que l’Univers perde son opacité. Mais on fixe à 400 millions d’années2 la fin de la période des âges sombres et l’entrée dans celle de la ré-ionisation (qui se termine donc après un milliard d’années) considérant qu’à cette époque l’Univers était déjà devenu suffisamment transparent.

Parallèlement à la diminution de la densité, au passage du temps, à l’éloignement de la source d’émission et à cause de cette évolution, la température du fonds diffus de l’Univers baissait selon une courbe asymptotique, d’un ordre de grandeur à partir des quelques 3000 K (pour référence la surface du Soleil a actuellement une température de l’ordre de 5800 K) qu’il avait au sortir de la surface de dernière diffusion, pour atteindre sans doute les 300 K vers ces 400 millions d’années ; et 2,728 K aujourd’hui.

La fin des âges sombres

À la fin des âges sombres, il y avait dans les galaxies sombres beaucoup de gaz et très peu d’étoiles. Les premières d’entre elles sont donc très difficiles à observer du fait de leur faible luminosité, mais on y parvient quand même. La première méthode a été indirecte, grâce à la lumière des phares puissants des astres postérieurs, qui éclairent leur environnement. Ces astres, les premiers quasars observés aujourd’hui, ont été datés de 750 millions d’années après le Big-bang.

Cependant, on n’arrête pas le progrès, et grâce au télescope Hubble et au spectrographe MOSFIRE fixé sur l’un des deux grands télescopes de l’observatoire Keck au sommet du Mauna Kea (Hawaï) on vient de détecter une galaxie extrêmement lointaine, GN-z11 (Z pour redshift), dont la lumière a été émise à l’aube de la ré-ionisation, il y a 13,4 milliards d’années, soit 400 millions après le Big-bang. Son rayonnement central semble extrêmement lumineux et il ne serait pas étonnant qu’elle soit également un quasar primitif.

On peut remarquer que la densité du brouillard étant quand même très forte dans cette jeunesse de l’Univers, la facilité pour la force de gravité de concentrer de très grandes quantités de matière était sans doute plus grande relativement à ce que l’Univers connaîtra plus tard. La preuve en est donnée par la formation de ces quasars, énorme trous noirs dévorant la matière alentour en la faisant briller jusqu’au point où l’on a d’abord cru qu’il s’agissait d’étoiles (quasi-stars). Il n’est pas exclu non plus que parallèlement de petits grumeaux de matière primordiale, libérés par la baisse de densité de l’Univers, ne se soient trouvés isolés dans l’espace sans suffisamment de matière pour les faire grossir. Ils formèrent ce qu’on appelle les micro trous noirs. Plus froids au début mais devenant rapidement d’une température très proche de l’environnement du fait de la baisse de celle de ce dernier, ils commencèrent très vite à s’évaporer ; c’est du moins la théorie puisqu’à ce jour nous n’en avons observé aucun.

De quoi est composé l’Univers en dehors de la matière à l’époque des âges sombres ?

D’abord des champs de bosons puisqu’ils sont la trame de l’Univers (vous vous souvenez du fameux boson de Higgs qui permet à la matière d’exister).

Ensuite du rayonnement électromagnétique. Il est également partout puisqu’il vient de se libérer de la matière. Il occupe déjà toutes les longueurs d’onde possibles du spectre que nous connaissons aujourd’hui.

Une partie est certainement lumineuse (le fameux rayonnement du fond diffus qui à l’origine est de 3000 K) mais les ondes les plus courtes, aux ondulations les plus serrées, ultra-violet, rayons X, rayons gamma, sont omniprésentes puisque nous sommes encore tout près de la grande explosion. Étant donné la différence de vitesse, même si l’hydrogène et l’hélium sont très légers, ces rayonnements s’étendent partout où il est possible qu’ils soient, y compris au-devant de la matière puisqu’ils n’ont pas de masse, et dans un volume déjà non totalement déterminable (l’Univers était déjà illimité et fini comme on le pense aujourd’hui).

Ce rayonnement est diffus de telle sorte que le brouillard de matière n’est pas totalement sombre, comme indiqué plus haut. Il luit principalement par réflexion même si sa propre chaleur doit générer aussi une certaine émission.

On peut aussi remarquer qu’à ce stade l’Univers est très peu différencié. On dit que son entropie est très faible en allant, comme aujourd’hui, vers toujours plus de complexité. La nucléosynthèse stellaire n’a évidemment pas eu le temps de faire son œuvre. La matière n’est rien d’autre que de l’hydrogène et de l’hélium et très marginalement quelques autres gaz comme le lithium ou le néon formés lors de l’éclatement de la surface de dernière diffusion. Donc le spectre des galaxies ou des étoiles primitives ne peut montrer que de l’hydrogène et peut-être de l’hélium.

Les planètes, s’il en existe déjà, ne sont que des boules des mêmes gaz en plus petites. Il ne peut exister aucune planète tellurique car il n’y a aucun élément chimique pour en constituer les minéraux dont elles sont faites.

Ce monde étrange est notre monde. Il a existé puisque nous sommes ici aujourd’hui. Il portait en germe ce que nous sommes devenus et ce que nous deviendrons et qui, un jour encore plus lointain, du fait de l’expansion accélérée qui nous entraîne toujours plus vite et de la force de gravité qui condense toujours plus la matière, sera à nouveau tout aussi sombre, totalement différent mais tout aussi étrange. Pour le moment profitons, sans illusion, de la stabilité apparente qui nous est offerte simplement parce que notre vie est courte.

Sur le web

  1. 26,8 % de l’énergie totale de l’Univers alors que la matière baryonique n’en constitue que 4,9 %, le reste, soit 68,3 %, étant la toujours hypothétique énergie sombre. La matière noire dont on voit les effets gravitationnels (ou plutôt dont on déduit l’existence par les effets qu’elle a sur la matière baryonique), n’est toujours pas identifiée et certains autres astrophysiciens en nient toujours l’existence.
  2. pour comparaison de durée, les premiers animaux remontent à quelques 575 millions d’années (faune de l’édiacarien) et il y a 400 millions d’années nous étions dans le Dévonien inférieur, avant la sortie des premiers amphibiens sur la Terre ferme.
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