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    Remonter le temps et s'approcher du big bang  
    Serge Brunier - Science & Vie, HS 259 - 2012-03-01      
    Les champs profonds, ces images vertigineuses fournies par les télescopes, lèvent le voile sur les derniers 13 milliards d'années.
Retracer toute l'histoire de l'Univers serait-il désormais à notre portée ?
 
    C'est un point minuscule, pâle, rouge et flou, perdu entre des milliers d'autres points multicolores, sur une photographie du ciel qu'on pourrait regarder rapidement, parmi d'autres, sans s'y arrêter. Sauf qu'un seul regard vers l'image à peine discernable de ce petit astre nous fait entreprendre le plus formidable voyage dans l'espace et dans le temps qu'il est permis d'imaginer. IOK-1 - ainsi baptisé en référence aux initiales de ses découvreurs : Masanori Iye, Kazuaki Ota et Nobunari Kashikawa - est en effet l'objet le plus lointain que l'on connaisse : il se situe à 12,9 milliards d'années-lumière de la Terre ! Il est aussi, par conséquent, le plus vieux jamais observé. La lumière qu'il nous envoie restitue une image de lui tel qu'il était quand l'Univers n'avait que quelques centaines de millions d'années !  
    Car pour les astronomes, voir loin, c'est aussi voir dans le temps : comme la lumière se déplace à une vitesse finie (un peu moins de 300'000 km/s), nous ne voyons jamais les astres que dans leur passé. Ainsi, puisque la lumière de la Lune met environ une seconde à nous parvenir, nous la voyons toujours telle qu'elle était une seconde plus tôt. L'image de Mars, dans le ciel d'un matin d'été, nous apparaît avec huit minutes de retard. Si l'on quitte le système solaire, le voyage s'accélère : Véga nous apparaît telle qu'elle était il y a vingt-six ans, Antarès, six cents ans, et Deneb, trois mille ans ! Et quand les astronomes dégainent leurs télescopes, la machine à remonter le temps s'emballe dans une course hypnotique vers l'abîme du temps, jusqu'à l'origine de l'Univers, c'est-à-dire jusqu'au big bang !  
   

Découvrir la première étoile

 
    En presque un siècle, théorie et observation ont en effet convergé vers un modèle qui assigne à notre Univers un âge de 13,7 milliards d'années, et aux premières structures (étoiles, galaxies) un âge d'environ 13,5 milliards d'années. Autrement dit, les premiers astres se seraient formés environ 200 millions d'armées après le big bang à partir du fluide homogène et brûlant qui constituait l'Univers à cette époque… Pour confronter ce modèle à la réalité et combler ses lacunes, la communauté scientifique internationale conçoit, toutes les deux ou trois décennies, une machine à remonter le temps plus puissante que celle de la génération précédente. Le télescope spatial Hubble, le Very Large Telescope et le réseau géant Alma ont ainsi été conçus pas seulement, mais essentiellement pour cela : tenter de découvrir, à l'aube du temps, la première galaxie, et même la première étoile !  
   

Un astre minuscule, pâle, rouge et flou : les chercheurs ont pressenti qu'il s'agissait d'une pépite d'or astronomique…

 
    Comment ? En produisant des images exceptionnelles, appelées deep fields ou "champs profonds". D'abord, il faut chercher; à l'aide de grands télescopes, une petite zone de la voûte céleste (grande comme la Lune à peu près) totalement dépourvue d'étoiles. Un coin de ciel où l'on ne voit rien du tout. Une fois cet endroit idéal déniché, on braque dessus, pendant de nombreuses nuits, un télescope géant. Pour réaliser le Subaru Deep Field, par exemple, c'est le télescope géant japonais Subaru, doté d'un miroir de 8,2 mètres de diamètre et perché au sommet du volcan Mauna Kea d'Hawaii à 4200 mètres d'altitude, qui a été mobilisé de 2002 à 2004. Le temps de pose total ? Pas moins de cinquante heures. Cinquante heures pendant lesquelles les photons les plus lointains sont venus rencontrer les 80 millions de pixels d'une des plus puissantes caméras jamais construites, la Suprime-Cam. L'image vertigineuse, rendue publique par les astronomes en 2004, a tenu ses promesses cosmologiques. Elle a révélé plus de 200'000 galaxies flottant, immobiles, dans une affolante perspective spatio-temporelle au point de fuite perdu à l'infini, dans le point d'interrogation initial du big bang. Impossible, une fois que l'on a réalisé la portée de cette image, de jeter sur elle un œil indifférent !  
    Parmi ces 200'000 galaxies, la quinzaine de pixels rougeâtres de IOK-1 est d'abord passée totalement inaperçue. On aurait très bien pu croire à un simple défaut perdu dans ce champ de galaxies. Mais le présumé défaut a résisté à l'impitoyable tri du logiciel de traitement d'images entre les millions "d'objets", étoiles, galaxies, astéroïdes, mais aussi rayons cosmiques et artefacts électroniques du Subarn Deep Field. Aucun doute, il s'agissait bien d'un astre. Un astre quasi invisible : l'éclat de IOK-1 est près de un milliard de fois plus faible que la plus pâle étoile visible à l'oeil nu. Et sa détection pousse à l'extrême les limites technologiques actuelles. Mais en découvrant IOK-1, les chercheurs japonais ont pressenti qu'ils étaient tombés sur une pépite d'or astronomique. Un astre à la fois minuscule, pâle, rouge et flou, cela pouvait signifier qu'il s'agissait d'une galaxie extraordinairement lointaine et donc extraordinairement ancienne…  
   

Faire naître la troisième dimension

 
    Sauf qu'une image, c'est très beau, mais ça ne contient pas d'information chiffrée sur la distance des astres ! L'image profonde de Subaru est, au sens strict, à deux dimensions, le ciel y apparaît comme une surface. Pour remonter dans le temps, il faut tracer une ligne spatio-temporelle dans la troisième dimension, cachée, de la photo. Pour ce faire, les astronomes japonais ont repointé leur télescope géant vers IOK-1 en l'équipant cette fois, non pas d'une caméra, mais d'un spectrographe, qui analyse la longueur d'onde précise reçue de l'astre.  
   

Zoom sur le big bang

 
    Le modèle du big bang a été proposé d'un point de vue théorique pour la première fois en 1927 par l'abbé Georges Lemaître, un astronome et mathématicien belge, et spectaculairement mis en évidence par les observations de l'astronome américain Edwin Hubble en 1929. Selon cette théorie, l'Univers, voici 13,7 milliards d'années, était dans un état extraordinairement chaud, dense et homogène, à partir duquel il est entré dans une phase d'expansion explosive qui, en abaissant progressivement sa température et sa densité, l'a amené à son état actuel Au cours de l'expansion, la matière, d'abord homogène, s'est progressivement structurée, forment galaxies et étoiles qui ont lentement évolué jusqu'à nous.  
   
 
   

Un Univers dynamique

 
    Ce modèle, soutenu par la théorie de la relativité générale d'Albert Einstein (1915) et les observations astronomiques, est la toute première représentation scientifique du cosmos : avant la théorie d'Einstein, il était impossible de considérer l'Univers dans son ensemble. À tel point que l'idée ne venait à aucun chercheur que l'Univers puisse être dynamique; il n'existait qu'un postulat: l'espace infini et le temps éternel Lemaître, dans sa "théorie de l'atome primitif" a donc compris le premier que l'espace-temps n'est pas le cadre intangible où se jouent les phénomènes, mais que espace-temps, matière et énergie sont intimement liés, via, justement, les équations d'Einstein. Puis la théorie a été étayée par Hubble qui, en découvrant le mouvement d'ensemble des galaxies, a mis en évidence l'expansion de l'Univers.  
   

Un "modèle de concordance" reconnu

 
    Depuis 1929, les preuves de la validité de cette théorie se sont accumulées: découverte en 1965 du rayonnement cosmologique (vestige de l'état chaud et dense de l'Univers tel qu'il était voici 13,7 milliards d'années), mesure de l'abondance des éléments chimiques créés au moment du big bang et, enfin, effets d'évolution des galaxies. Aujourd'hui, la communauté scientifique s'entend sur le "modèle de concordance", en cohérence avec toutes les observations astronomiques. Le modèle est toutefois incomplet : les chercheurs ne savent pas décrire l'origine même du big bang, appelée "singularité ", cette phase initiale où sa température et sa densité étaient proches de l'infini… De même, on ignore quel est le contenu matériel et énergétique de l'Univers : selon le modèle de concordance, il est constitué pour seulement 4% de matière ordinaire, pour 23% de matière noire d'origine inconnue et pour 73% d'énergie sombre, de nature inconnue…  
   

 

 
    Pendant huit heures, le spectrographe a accumulé les photons, provenant littéralement un à un, seconde par seconde, de cet endroit précis du fin fond de l'Univers. Et, miracle, l'expérience a fonctionné ! Première bonne nouvelle : le spectre lumineux de IOK-1 a révélé sans ambiguïté une raie spectrale principale, dite "Lyman alpha", signant la présence d'hydrogène chauffé par des étoiles dans l'astre. Il s'agissait donc bien d'une galaxie. Dans une image contenant 200'000 galaxies, cette découverte n'était pas forcément étonnante. Mais la très bonne surprise qui attendait les astronomes japonais, c'était la distance record de cette galaxie… En fait, pour être exact, ce n'est pas directement sa distance que les astronomes ont mesurée, mais son décalage spectral, c'est-à-dire la lente dérive en longueur d'onde de la lumière de la galaxie, due à l'expansion de l'Univers.  
    Car l'expansion, qui emporte avec elle des milliards d'années durant l'onde lumineuse voyageant vers la Terre, "étire" à la lumière, ce qui se traduit par un changement de longueur d'onde. Pour fixer les idées, la couleur dominante de la galaxie IOK-1, au moment où elle a émis sa lumière, était le bleu, C'est en effet ainsi que rayonnent les étoiles supergéantes extrêmement jeunes contenues par les galaxies de cette lointaine époque. Mais 12,9 milliards d'années plus tard, Subaru voit cette lumière "dilatée" par l'expansion de l'Univers, c'est le fameux décalage vers le rouge (redshift) découvert en 1929 par l'astronome Edwin Hubble. Ici, le redshift (z) est de 6,96. Et la lumière ultraviolette de l'émission, 121,5 nanamètres précisément, est devenue à la réception… de l'infrarouge ! C'est en effet à 967,1 nanomètres de longueur d'onde qu'a été détectée la raie Lyman alpha par l'équipe japonaise.  
   

On ne sait presque rien des caractéristiques de IOK-1. Mais avoir découvert cette galaxie lointaine est déjà énorme !

 
    Restait à interpréter cette observation. Des caractéristiques de cette galaxie, on ne sait presque rien, si ce n'est qu'elle est environ dix fois plus petite que notre propre galaxie, la Voie lactée, et qu'elle donne naissance à une dizaine d'étoiles par an. C'est tout… et c'est déjà énorme !  
   

La raie spectrale signale la présence d'hydrogène, mais à une longueur d'onde inhabituelle. C'est ce décalage qui permet de déduire la vitesse, puis la distance de IOK-1.

 
    En découvrant la plus lointaine des galaxies connues dans l'Univers, Masanorilye, Kazuaki Ota et Nobunari Kashikawa ont en effet prouvé que de tels astres - contenant eux-mêmes des milliards d'étoiles ! - existaient déjà voici 12,9 milliards d'années, soit 800 millions d'années après le big bang. Mieux : si les galaxies étaient déjà constituées à cette époque, c'est qu'elles s'étaient formées encore plus tôt… "Nous supposons que les premières étoiles et les premières galaxies se sont formées voici de 13,5 à 13,6 milliards d'années, soit de 100 à 200 millions d'années après le big bang", explique Olivier Le Fèvre, astronome au Laboratoire d'astrophysique de Marseille (LAM). Ne resterait alors que de 600 à 700 millions d'années à remonter dans le film de l'histoire cosmique pour tout voir, pour tout savoir ?  
   

Il ne resterait que de 600 à 700 millions d'années à remonter pour tout voir, pour tout savoir jusqu'au début de l'Univers ?

 
    Pas si simple… Car la nature conspire contre ceux qui veulent révéler ses secrets. Dans l'Univers en expansion, plus les astres sont lointains, plus ils sont difficiles à observer. Dans notre monde proche, "l'Univers local", comme disent les astronomes, l'éclat d'un objet lumineux est simplement divisé par quatre quand la distance est doublée : cela vaut pour une bougie, un phare, une étoile. Mais cette loi "en carré de la distance", intuitive, n'est plus vraie aux grandes distances cosmologiques. "Lorsque nous observons une galaxie située 12 milliards d'années dans le passé, sa distance apparente, que nous appelons dans notre jargon distance de luminosité, est de 120 milliards d'années-lumière", explique Olivier Le Fèvre. Un abîme quasiment infranchissable pour les télescopes actuels ! On comprend, dès lors, pourquoi les astronomes ont tant de mal à atteindre, voire à dépasser la barre des 13 milliards d'années-lumière. Le célèbre Hubble Ultra Deep Field (HUDF) a ainsi mobilisé le télescope spatial Hubble onze jours durant, pour un temps de pose total de 270 heures ! Les astronomes sont certains qu'il y a, parmi les 10'000 astres photographiés par Hubble, des galaxies repérables comme d'infimes taches rouges et situées dans cette zone de l'espace et du temps, 600 millions d'armées après le big bang. Sauf que ces astres sont tellement pâles (les astronomes disent qu'ils sont de magnitude 29 à 30) qu'il est impossible ou presque d'analyser précisément leur lumière, même avec les plus grands télescopes ! Plusieurs annonces de galaxies "records", situées au-delà de 13 milliards d'années-lumière, ont ainsi régulièrement été faites, puis démenties. Pourtant, leurs auteurs étaient des astronomes reconnus et ils avaient utilisé les plus puissants télescopes du monde !  
    De fait, personne ne sait vraiment quel est l'astre le plus lointain jamais observé par les télescopes : les galaxies candidates à ce titre sont une grosse poignée, essentiellement trouvées dans les Subaru Deep Field et Hubble Deep Field. Mais, en l'absence de preuve spectroscopique, aucune de ces découvertes n'a pu être officialisée. Olivier Le Fèvre explique : "Lorsque nous trouvons une bonne candidate, nous tentons d'en obtenir un spectre, en une dizaine ou une vingtaine d'heures d'observation. Si nous ne voyons rien après un tel temps d'intégration, nous savons qu'il ne sert à rien d'insister. L'astre est trop faible et exigerait pour être analysé de mobiliser un télescope géant beaucoup trop longtemps. Le seul moyen d'aller plus loin, ce sera d'augmenter encore la puissance de nos télescopes."  
   

Une explosion fulgurante

 
    Pourtant… Le record de IOK-1 a peut-être été battu en 2009 par l'équipe américaine de Antonino Cucchiara, Andrew Levan, Derek Fox, Nial Tanvir et leurs collaborateurs. Le 29 avril 2009, le satellite américain Swift détecta, dans la constellation des Chiens de chasse, un puissant flash de rayons X et gamma, signe probable de l'explosion titanesque d'une étoile, quelque part dans l'Univers. Un flash fulgurant - on ignorait encore à ce moment-là à quel point - qui ne dura, selon le satellite, que cinq secondes et demie. Cet événement, indexé GRB 090429B par l'Union astronomique internationale, donna lieu immédiatement à une alerte mondiale : le satellite Swift transmit automatiquement aux grands observatoires les coordonnées célestes où il s'était déroulé. Il était précisément 7h30 et 3 secondes du matin, heure de Paris. Quatorze minutes plus tard, exactement, le télescope de 2,2 mètres de diamètre de l'observatoire européen de La Silla, au Chili, se tourna vers cette source pour tenter de la capter. En effet, après le flash initial, émis à très haute énergie signant l'explosion fulgurante de l'étoile, celle-ci se  
   

Les deeps fields, découvreurs de galaxies

 
    Dans les années 1990, les astronomes ont eu l'idée de déterminer ensemble des petites régions du ciel à observer dans toutes les longueurs d'onde et avec le temps de pose le plus long possible, vers lesquelles ils tourneraient leurs plus puissants instruments… Le but : que les champs profonds (les deep fields) dévoilent tous les astres, jusqu'à la distance la plus lointaine accessible. Les plus célèbres de ces observations mutualisées sont les fameux Hubble Deep Field, réalisé en 1995 dans la constellation de la Grande Ourse (hémisphère Nord), et Hubble Ultra Deep Field, réalisé en 2004 dans la constellation du Fourneau (hémisphère Sud). Le choix d'une région céleste à sonder est crucial : elle doit être vide d'astres proches pour que les télescopes ne soient pas éblouis par des étoiles de premier plan. Elle doit aussi être observable par les plus grands observatoires et, surtout, depuis l'espace. Les deep fields de Hubble, par exemple, sont situés dans des régions que ni la Terre ni la Lune ne traversent devant lui. Ce qui n'est pas le cas du Cosmological Evolution Survey (Cosmos), situé à l'équateur céleste, mais qui présente l'avantage d'être observable par tous les grands observatoires terrestres, ainsi que par Hubble, Chandra, Spitzer, XMM, sauf lorsqu'il est temporairement éclipsé. Cosmos a ainsi permis la découverte de 2 millions de galaxies dans un champ de seulement deux degrés carrés…  
   

 

 
    disperse dans l'espace, en une gigantesque "boule de feu" qui s'étend tout en refroidissant lentement. En principe, donc, les explosions stellaires, une fois détectées par les satellites, peuvent être suivies des semaines durant avec des télescopes classiques. En principe. Mais dans le cas de GRB 090429B, non : le télescope de La Silla ne détecta rien… L' observatoire de Cerro Paranal, toujours au Chili, c'est le puissant Very Large Telescope qui fut mis à contribution à son tour : là aussi, la détection du phénomène se solda par un échec. Enfin, à l'observatoire du Mauna Kea, mieux situé pour observer cette région du ciel boréal, le télescope Gemini North, voisin de Subaru, fut à son tour mobilisé. il était 10h00, soit 23h00 à Hawaii. Cette fois, si GRB 090429B demeura indétectable en lumière visible, il apparut en revanche comme une infime tache lumineuse sur les images infrarouges. Du coup, les astronomes américains tentèrent d'obtenir un spectre de l'astre afin de déterminer sa distance exacte. Las ! Au sommet du volcan Mauna Kea, le vent devint trop fort, et la coupole du télescope Gemini North se referma automatiquement. On ne revit plus jamais GRB 090429B, et personne n'arriva à détecter la lointaine galaxie où l'événement avait eu lieu…  
   

D'une puissance inouïe, le phénomène GRB 090429B aurait libéré une énergie supérieure à celle de mille milliards de soleils

 
    L'enquête commença donc pour tenter de comprendre ce qui s'était passé cette nuit-là dans la constellation des Chiens de chasse. Première étape : estimer la distance de l'explosion. Malgré l'absence de spectre, par une méthode moins précise, l'équipe d'Antonino Cucchiara parvint à estimer à plus de 90% la probabilité que l'explosion ait eu lieu à… plus de 13,1 milliards d'années-lumière de la Terre ! Le record de IOK-1 serait alors battu de 200 millions d'années-lumière. Pour les experts, voici les chiffres : le redshift record de la galaxie IOK-1 est de 6,96, celui de GRB 090429B serait de 9,4. Une hypothèse confortée quelques mois plus tard lorsque le télescope Hubble tenta de détecter la galaxie hôte de l'étoile morte : rien, il n'y avait strictement rien à l'emplacement de l'explosion. Or, pour que Hubble soit incapable de détecter une galaxie, il faut que celle-ci se trouve vraiment très loin… GRB 090429B signe probablement la mort d'une étoile supergéante, 600 millions d'années après le big bang. Pour être visible à plus de 13,1 milliards d'années-lumière de distance, il faut que le phénomène ait été d'une puissance inouïe. De fait, celle-ci a été estimée, d'après sa supposée distance : GRB 090429B aurait libéré une énergie supérieure à celle de mille milliards de soleils…  
   

C'est finalement le télescope Gemini North, à Hawaii, qui détecta une infime tache lumineuse sur les images infrarouges. Les chercheurs situent l'explosion à plus de 13,1 milliards d'années-lumière de la Terre, ce qui fait de GRB 090429B le plus vieil objet jamais photographié.

 
    On le voit, les astronomes abordent aujourd'hui prudemment les 600 ou 700 millions d'années qui les séparent du big bang. ils ont ainsi déjà remonté près de 95% de l'histoire de l'Univers, mais les quelque 5% restants vont leur donner du fil à retordre… Car aux grandes distances cosmologiques, les effets de l'expansion sont de plus en plus difficiles à surmonter, le décalage spectral des astres augmentant de façon exponentielle et la lumière qu'ils produisent se diluant, à la fois dans l'espace et dans le temps. Dans le temps ? Oui, les phénomènes qui se sont déroulés dans le passé sont ralentis par les effets relativistes dus à l'expansion de l'Univers. L'effet est pratiquement insensible jusqu'à une dizaine de milliards d'années-lumière, puis il augmente, exponentiellement. Ainsi, lorsque les astronomes ont observé GRB 090429B, ils ont cru que le flash produit par l'explosion avait duré 5,5 secondes. Il n'en est rien; au moment de l'explosion, voici 13,1 milliards d'années, celle-ci n'a duré qu'une demi-seconde! En observant plus loin encore, les astronomes constateront que ce ralentissement apparent du temps est encore plus important et que la quantité d'énergie produite par un astre étant diluée sur une période de temps de plus en plus longue, ils finiront probablement par ne plus rien voir du tout…  
   

Un âge sombre encore mystérieux

 
    Les astronomes ont d'ailleurs baptisé ces premières centaines de millions d'années qui les séparent du big bang "l'Age sombre", expression qu'il faut comprendre dans ses deux sens, strict et métaphorique : au-delà de 13 milliards d'années-lumière, effectivement, aujourd'hui, pour les astronomes, le ciel est noir. Mais pas seulement parce que la lumière de ces âges lointains est actuellement trop faible pour être perçue, mais aussi parce que personne ne sait ce qui s'est passé à l'époque; comment, à partir du gaz homogène et brûlant libéré par le big bang, étoiles et galaxies se sont structurées. Le mystère reste entier : le premier astre a-t-il été une étoile hypergéante, mille fois plus massive que le Soleil, comme le prédisent certains modèles ? Ou plutôt un amas stellaire.  
       
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