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L'aube cosmique - un trésor d'informations pour répondre aux questions fondamentales
La période allant d'environ 370 000 ans après la naissance de l'Univers, à quelques centaines de millions d'années, est appelée l'âge sombre cosmique. Les premières étoiles et galaxies n'étaient pas encore formées, et la plupart des atomes de l'Univers étaient des atomes d'hydrogène neutre. La fin de l'âge sombre cosmique a été marquée par l'aube cosmique, lorsque les premières étoiles et galaxies se sont formées dans l'Univers. L'observation directe de cette période représente la "dernière frontière" des études menées aujourd'hui dans le domaine de la cosmologie.
Comme le décrit la docteure Hamsa Padmanabhan, physicienne théoricienne, collaboratrice scientifique II à l'Université de Genève, et PI de la bourse Ambizione du Fonds National Suisse de la Recherche Scientifique (FNS), la possibilité d'observer l'aube cosmique est capable de fournir des réponses à certaines des plus grandes questions ouvertes en physique et en astronomie aujourd'hui.
L'aube cosmique a marqué le début d'une période appelée « réionisation », lorsque la lumière des premières étoiles a reconverti l'hydrogène neutre de l'Univers en protons et en électrons. On pense que la réionisation cosmique s'est terminée environ 1 milliard d'années après le Big Bang. L'observation de cette période est un défi car la détection du signal très faible provenant de l'hydrogène, l'élément le plus abondant, est difficile. La meilleure option consiste à rechercher un signal émis par les atomes d'hydrogène dans les ondes radio, qui est assez faible. Par exemple, le signal de l'aube cosmique est contaminé par le même signal que celui que produit notre galaxie, la Voie lactée, qui est au moins dix mille à cent mille fois plus lumineux.
Cependant, l'accès à cette période nous donne également le plus d'informations que nous aurons jamais sur l'Univers. Plus de 90 % de la matière ordinaire réside dans cette époque de l'Univers, ce qui donne accès à au moins 10000 à 100000 fois plus de contenu informationnel que ce qui est disponible dans les relevés actuels. Ce trésor d'informations est d'une grande importance pour tester toute une série de théories de physique fondamentale, notamment celles qui vont au-delà du modèle standard de la cosmologie. Les exemples incluent les modèles non standard de la matière noire, les modifications de la relativité générale d'Einstein et les indices sur la nature des premiers milliardièmes de seconde de l'évolution de l'Univers.
Plusieurs missions dans les ondes radio, infrarouges et visibles sont en cours (ou en phase finale de développement) afin de détecter le signal très faible de l'aube cosmique et de la réionisation. Il s'agit notamment du télescope spatial James Webb (JWST), du Square Kilometre Array (SKA), du Carbon MonOxide Mapping Array Project (COMAP) et de l'Atacama Large Millimetre/submillimetre Array (ALMA). L'ALMA, par exemple, détecte les galaxies au travers de leur émission de carbone simple ionisé, appelé [CII], et d'oxygène doublement ionisé, appelé [OIII], qui sont tous deux des sondes très intéressantes de la formation d'étoiles. Une telle combinaison des résultats de différentes expériences est appelée la vision multi-messagers, qui comprend également l'étude des signaux d'ondes gravitationnelles provenant des premiers trous noirs de l'Univers, afin de dresser un tableau complet de l'aube cosmique. Offrant d'immenses possibilités de collaboration et de développement technologique, cette approche promet d'ouvrir un âge d'or pour résoudre les mystères les plus profonds de la physique fondamentale en conquérant la « dernière frontière ».
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