Le Big Bang ou les premiers pas de l'Univers - part II
Aux lendemains du Big Bang...
A l'âge de 350 000 ans, l'Univers était baigné de photons rayonnant dans toutes les directions, ainsi que d'atomes d'hydrogène et d'hélium, de neutrinos et autres constituants de la matière noire. Bien qu'il fût encore chaud (2500°C) et empli d'énergie, les astronomes ne peuvent l'observer en lumière visible. La raison en est que, avec l'expansion de l'Univers, les longueurs d'onde du rayonnement se sont agrandies d'un facteur 1000. Les photons qui atteignent la Terre sont des photons de basse énergie constituant le rayonnement de fond cosmologique. Les longueurs d'ondes ne sont plus celles qui caractérisent une boule de feu mais celle d'un objet froid de -270°C (seulement 3°C au dessus du zéro absolu).
fond cosmologique
L'âge des ténèbres
La Terre ne recevra jamais de lumière visible émanant de la période précédant l'apparition des premières étoiles. Les cosmologistes peuvent toutefois reconstituer les événements de cette période à partir notamment du rayonnement de fond cosmologique. Celui-ci révèle d'infimes fluctuations de la densité de matière à l'époque où se formèrent les premiers atomes. La gravitation aurait concentré la matière en touffes et en mèches. Ces irrégularités au sein du nuage primordial de matière rendent probablement compte des plus grands objets actuels, dont les superamas galactiques. L'ordinateur permet d'en retracer l'évolution sur des millions d'années. De telles simulations sont conduites à partir d'hypothèses concernant la densité et les propriétés de la matière, dont la matière noire, ou encore l'influence de l'énergie noire (force opposée à la gravitation) dans le jeune Univers. Certaines simulations aboutissent à une distribution de la matière très proche de celle qui prévaut dans l'Univers actuel.
Superamas galactique
L'enrichissement chimique ducosmos
Les premières étoiles créèrent et dispersèrent de nouveaux éléments chimiques dans l'espace. Dans leurs coeurs se formèrent par fusion nucléaire du carbone, de l'oxygène, du silicium ou encore du fer. Les éléments plus lourd que le fer, comme le baryum et le plomb, furent engendrés lors des événements violents qui accompagnèrent leur mort. Du milieu interstellaire ainsi enrichi naquirent une deuxième, puis une troisième génération d'étoiles, plus petites que les mégaétoiles primordiales. Ces nouvelles étoiles créèrent d'autres éléments lourds redonnés au milieu interstellaire par les vents stellaires et supernovae. En fusionnant ou en perdant leur gaz, les galaxies contribuèrent à la dispersion de ces éléments. Au sein de la Voie Lactée, les éléments lourds jouèrent un rôle essentiel dans la formation des planètes rocheuses comme dans celle des organismes vivants. Les processus de recyclage et d'enrichissement du cosmos se poursuivent encore aujourd'hui.
Théories récentes
Jusqu'à présent les astronomes tentaient de préciser à quel moment et dans quel type de structure se sont allumés les toutes premières étoiles. Des observations en infrarouge réalisées par le telescope spatial Spitzer et le VLT (Very Large Telescope), avaient révélés ce qui semble être des galaxies très faible, caractérisées par un très fort décalage vers le rouge, dont l'existence remonte à seulement 500 millions d'années après le Big Bang. Cela suggère qu'il existait, entre 100 et 300 millions d'années après le Big Bang, des noeuds et des touffes de matière bien développés, dans lesquels se formèrent probablement les premières étoiles. Mais voilà qu'un astrophysicien, David Elbaz, du commisariat à l'énergie atomique de Saclay, vient bousculer la genèse du monde jusqu'ici envisagée. En effet grâce à une observation décisive de l'astre HE0450-2958 situé à 3 milliards d'années-lumières et obtenue grâce à Hubble et au VLT, David Elbaz attribut un rôle tout autre aux trous noirs supermassifs. Explications : Dans la grande histoire du cosmos, depuis le Big Bang jusqu'à aujourd'hui, l'épisode crucial de la formation des galaxies, nommée "Age des Ténèbres" par les astronomes, a causé bien des tracas à ces derniers. Les modèles imaginés ayant beaucoup de mal à simuler les évènements de cette période, située dans la première centaine de millions d'années après la grande explosion primordiale. Pour David Elbaz, à l'origine des galaxies il y avait les trous noirs...
Les trous noirs
Considérés comme des monstres cosmiques par les astrophysiciens, leurs présences est dévoilées à la fin du XXème siècle. Certains ont une masse de quelques soleils, tandis que d'autres, des milliards de fois plus lourds, trônent au centre de quasiment toutes les galaxies. Ces objets défient l'imagination : si la Terre était comprimée dans un dé à coudre, elle deviendrait un trou noir dont le champs gravitationnel serait tellement intense qu'il absorberait tout ce qui passe à sa portée, y compris la lumière. Dans l'imaginaire collectif, ces abîmes sans fond où se perdent matière, énergie, espace et temps ont toujours été associés au chaos, au néant, à la destruction.
Une nouvelle genèse
Sous le doux nom de HE0450-2958 se cache un astre mesurant la taille du système solaire, mais mille milliards de fois plus brillant, soit beaucoup plus que la Voie Lactée elle même. Un tel objet est appelé un quasar.
Dans les années 60, les astrophysiciens ne pouvait rendre compte du rapport entre leur volume et leur débauche d'énergie faramineuse. Ce n'est que dans les années 90 que l'évidence est apparue. Car un seul processus connu permet une telle débauche d'énergie : sous leur enveloppe de lumière, les quasars doivent cacher de gigantesques trous noirs, de plusieurs millions à plusieurs milliards de masses solaires. En effet lorsque le trou noir dévore la matière aux alentours, ce dernier devient l'astre le plus énergétique du cosmos ! Il ne brille pas, il reste une sphère opaque dont la taille dépend de sa masse. Toutefois, lorsque de la matière passe à sa portée (gaz, planète, étoile), avant d'être engloutie, elle spirale autour de lui de plus en plus vite, créant un disque de gaz de plus en plus chaud. Ce qui est devenu un plasma brûlant en rotation, soumis à des tensions capables de disloquer des étoiles entières, libère alors une énergie sans équivalent dans l'Univers (l'efficacité énergétique d'un trou noir est de 10 à 100 fois supérieure à celle d'une étoile): Le trou noir brille alors abondamment.
Mais HE0450-2958 n'est pas un quasar comme les autres : contrairement à la plupart de ses congénères, il est nu, isolé dans l'espace sans une myriade d'étoiles autour de lui. C'est cette singularité qui a poussé l'équipe de D. Elbaz à y regarder de plus près, pour réaliser qu'il est en fait relié à une galaxie, par un fin pinceau lumineux long de 22 000 années-lumière.
Le plasma brûlant en rotation créé un champ magnétique extraordinairement intense, aux deux pôles duquel s'échappe une partie de la matière, concentré dans un fin pinceau lumineux, mais incroyablement puissant...
Les jets émis par les trous noirs sont constitués de rayonnement et de gaz, éjectés à plusieurs milliers de km/seconde, dans certains cas, la masse de gaz éjectées atteint même mille masses solaires par an.
En pointant leurs lunettes au bout du jet émis par HE0450-2958, les astronomes ont observé que la galaxie associé est riche en très jeune étoiles supergéantes. Très féconde, cette galaxie voit y naître une nouvelle étoile chaque jour, alors qu'il s'en crée 4 ou 5 par an dans une galaxie comme la Voie Lactée. Les positions du jet et de ces nouvelles étoiles les ont conduits a formuler une première hypothèse : Le jet émis par le quasar serait à l'origine de cette flambée d'étoiles. D'après D. Elbaz, nous assistons à la création de la galaxie par le quasar. Dans quelques millions d'années, le processus sera terminé, le quasar, aujourd'hui "nu" sera "habillé" par sa galaxie. Un phénomène qu'il propose aujourd'hui de généraliser au cosmos tout entier. Ainsi se dessine une nouvelle histoire du monde. Et ce nouveau scénario élucide enfin de façon cohérente l'origine des galaxies.
Galaxie du Sombrero_M104
Il y eut le Big Bang. Puis durant l'Age des ténèbres, le gaz dense, brûlant et homogène laissé par l'explosion primordiale se serait lentement condensée en refroidissant, dessinant une sorte de vaste toile d'araignée tridimensionnelle dans l'espace qui, après quelques dizaines de millions d'années, se serait condensée en grumeaux de plus en plus massifs. Ces grumeaux en accrétion auraient donnés naissance non pas aux premières étoiles supermassive, mais à de gigantesques trous noirs, lesquels, dans un souffle créateur, auraient enfin enfanté les galaxies...
Une théorie qui tiens la route...
Avant la mise en service des grands telescopes tels que Hubble ou le VLT, les astronomes ne disposaient d'aucune information sur l'évolution des galaxies au-delà de quelques milliards d'années-lumière, et leur modèles théoriques, qui n'étaient contraints par aucune observation, semblaient pleinement satisfaisants. Depuis, tout s'est compliqué : les modèles, sommés de rendre compte des nouvelles observations, ont, les uns après les autres, dû être remis au rayon des fausses bonnes idées.
« La question actuelle la plus débattue est de savoir qui vient en premier de l'œuf et de la poule, de la galaxie ou de son trou noir central" explique David Elbaz. "Notre étude suggère que les trous noirs supermassifs peuvent provoquer de véritables flambées de formation d'étoiles, voire la naissance de galaxies entières. Cette interaction quasar-galaxie pourrait aussi expliquer pourquoi les galaxies abritant les trous noirs les plus massifs sont aussi celles qui ont le plus d'étoiles ».
Vue d'artiste d'un quasar, centre de galaxie où un trou noir supermasif produit un jet de matière à haute vitesse
Si aujourd'hui se dessinent de nouvelles théories c'est avant tout parce que les hommes, fascinés par ce si beau spectacle qu'est notre Univers, continuent à explorer le fin fond de l'Espace pour y trouver ses origines... Je vous promet encore bien d'autres articles sur cette quête humaine, qui, un jour, réussira peut être à percer tous les mystères de l'Univers...
A très bientôt...
