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Nouvelle scientifique

 

Le 13 septembre 2016

 

 

Planck réévalue la date de naissance des premières étoiles

 

Une étude réalisée la collaboration Planck, à laquelle participent trois laboratoires de l'IN2P3 et réalisée grâce aux relevés du satellite, révèle que les premières étoiles se sont formées bien plus tard que ce que l'on imaginait jusqu'ici et confirme qu'elles étaient les seules sources nécessaires à la réionisation de l'Univers. Cette nouvelle étude a fait l'objet d'une publication le 22 août dernier dans la revue Astronomy and Astrophysics.

 

Les premiers âges de l'Univers

Avec la multitude d'étoiles et de galaxies qui compose notre Univers actuel, il est difficile de se faire une représentation de ce qu'il était lors de sa première phase, il y a 13,8 milliards d'années. Il avait alors la forme d'une soupe primordiale dense, chaude et opaque faite de particules, principalement des électrons, des protons, des neutrinos et des photons. Dans un tel "brouillard", les particules de lumière ne pouvaient se déplacer sans heurter des électrons. 380 000 ans plus tard le Cosmos a commencé à se refroidir et à se dilater, les électrons et les protons ont commencé à se combiner pour former les premières molécules d'hydrogène et les photons ont pu se déplacer librement, rendant l'Univers plus "transparent".

C'est le premier moment de l'histoire de notre Univers où la matière était encore dans un état électriquement neutre.

 

Quelques centaines de millions d'années se sont écoulées avant que les atomes ne puissent donner naissance aux premières générations d'étoiles. Lorsque ces dernières sont apparues, elles ont rempli leur environnement de lumière, ce qui a entrainé la division des atomes neutres (les protons et les électrons). Cette époque est nommée par les scientifiques "phase de réionisation". Aujourd'hui, les télescopes tels que Planck permettent d'observer cette lumière fossile à travers le fond diffus cosmologique (ou CMB pour Cosmic microwave background) dont la distribution dans le ciel révèle des fluctuations infimes qui nous fournissent une multitude d'informations sur l'évolution, la composition chimique et la géométrie de l'Univers.

 

Polarisation du fond diffus cosmologique détecté par le satellite Planck sur l'ensemble de la voûte céleste © ESA/Collaboration Planck

 

L'observation des galaxies les plus lointaines indique que l'Univers a été complètement réionisé après 900 millions d'années. La datation de cette phase est toutefois restée longtemps âprement débattue par la communauté scientifique. Pour l'affiner, les chercheurs se sont basés sur le fait qu'une partie du fond diffus cosmologique est "polarisé", c'est-à-dire qu'une partie de la lumière émise a vibré dans une direction privilégiée lorsque les photons ont rebondis sur les électrons.

 

La datation de la phase de réionisation

Une première estimation de l'époque de réionisation avait été faite en 2003 par l'observatoire Microwave anisotropy probe de la NASA (WMAP) suggérant que ce processus pouvait avoir commencé assez tôt, lorsque l'Univers était âgé de quelques centaines de millions d'années. Ce résultat était toutefois problématique car il n'y avait aucune preuve que les étoiles étaient alors formées, ce qui laissait supposer l'existence d'une potentielle autre source de réionisation.

Les données ultérieures, enregistrées par WMAP, ont reporté cette époque de 450 millions d'années. Puis, en 2015, les premières cartes de polarisation du fond diffus cosmologique de Planck, obtenues grâce à son instrument de basse fréquence (LFI), ont fourni de nouvelles données pour appréhender le problème et dater ce phénomène à 550 millions d'années.

 

Vue d'artiste de la phase de réionisation cosmique © ESA/C. Carreau

 

Aujourd'hui, la dernière analyse des données provenant d'un autre détecteur, l'instrument de haute fréquence (HFI) qui est, à ce jour, l'instrument le plus sensible à ce phénomène, confirme que la réionisation a commencé beaucoup plus tard que prévu. Les mesures très sensibles de HFI ont clairement démontré que la réionisation avait été un processus très rapide, survenu assez tardivement dans l'histoire cosmique. L'Univers était à demi-réionisé à environ 700 millions d'années et complètement réionisé à 900 000 millions d'années. Il a également été établi qu'aucune autre source, outre les premières étoiles, n'était intervenu dans ce phénomène.

De plus, comme la formation des étoiles est beaucoup plus tardive que ce que l'on pensait, les scientifiques ont bon espoir d'être en mesure d'observer la toute première génération de galaxies grâce aux futurs générations d'instruments, comme le télescope spatial James Webb1, voire même grâce à des installations actuelles comme Hubble2.

 

Laboratoires de l'IN2P3 participants à la collaboration Planck :

  • Laboratoire Astroparticules et cosmologie (APC, CNRS/Université Paris Diderot/CEA/Observatoire de Paris)
  • Laboratoire de l'accélérateur linéaire (LAL, CNRS/Université Paris Sud)
  • Laboratoire de physique subatomique et de cosmologie (LPSC, CNRS/Université Grenoble Alpes/Grenoble INP)

 

Notes

1Collaboration NASA / ESA / CSA.

2Collaboration NASA / ESA.

 

Références bibliographiques

Collaboration Planck, “Planck intermediate results. XLVII. Planck constraints on reionization history”, Astronomy and astrophysics, 22 août 2016.

Collaboration Planck, "Planck intermediate results. XLVI. Reduction of large-scale systematic effects in HFI polarization maps and estimation of the reionization optical depth", Astronomy and astrophysics, 22 août 2016.

 

Pour en savoir plus

 

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