Dévoiler les âges sombres de l’Univers

Voici la première prédiction d'une carte de l'hydrogène couvrant tout le ciel durant les « âges sombres », quelque 10 millions d'années après le Big Bang, avant même l'apparition des premières étoiles. Il s'agit des infimes fluctuations de densité qui ont servi de germes à toutes les galaxies, des dizaines de millions d'années plus tard. Cette étude ouvre un nouvel horizon en cosmologie et nous renseignera sur la formation des galaxies à partir de multiples nuages de gaz, bien avant la naissance des étoiles. La carte simulée constitue une cible pour les futurs réseaux de radiotélescopes installés sur la face cachée de la Lune. De telles explorations débuteront avec le lancement, par la NASA, de la mission LUSEE-Night au début de l'année prochaine. Ce radiotélescope basse fréquence, doté d'un dipôle unique, se posera sur la face cachée de la Lune pour rechercher le signal global des âges sombres, bien qu'il ne dispose que d'une résolution angulaire très grossière. Il détectera la raie spectrale de l'hydrogène atomique à 21 cm, décalée vers des longueurs d'onde de plusieurs dizaines de mètres par l'expansion de l'Univers. La face cachée de la Lune est le lieu idéal, au sein du système solaire interne, pour rechercher un tel signal radio basse fréquence, qui serait autrement perturbé par le bruit radio issu de la diffusion ionosphérique terrestre et des émissions radio d'origine humaine.

L'étape suivante consistera à détecter, avec une résolution bien supérieure, les fluctuations de densité de l'hydrogène à l'origine de la formation des galaxies. Cela ne pourra être réalisé qu'au moyen de nombreux dipôles déployés sur de grandes distances à la surface de la Lune. Notre article expose les motivations de ces futures expériences. Au cours des prochaines décennies, l'objectif à long terme sera de percer les mystères des origines de l'Univers en cartographiant ces fluctuations grâce à des réseaux d'antennes dipolaires. Des milliers de ces dipôles seront reliés entre eux sur des distances de plusieurs dizaines de kilomètres sur la face cachée de la Lune pour former un interféromètre — un radiotélescope géant — capable de cartographier avec précision les fluctuations du signal des âges sombres.

Nos nouvelles prédictions révèlent l'état originel de l'Univers, bien avant l'apparition des étoiles. La multitude de ces fluctuations inaugurera une nouvelle ère de cosmologie de ultra-haute précision. Certes, la question des signaux d'avant-plan pose un défi majeur. Notre article aborde cette difficulté et décrit le potentiel de ces recherches pour percer les secrets des origines de l'Univers.

Remarques : La nouvelle étude utilise un code numérique pour calculer les fluctuations de la densité d'hydrogène en remontant le temps et en suivant leur croissance sous l'effet de la gravité sur plusieurs millions d'années. Nous couvrons l'ensemble du ciel avec les résultats de nos simulations et générons une carte couvrant tout le firmament à différentes époques du passé, fournissant ainsi les premières cartes tomographiques de l'Univers primordial, avant l'apparition des galaxies.