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Univers, année 1… milliard

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Marie Pinhas-Diena, responsable de la communication scientifique l T. 01 44 27 22 89 l M. marie.pinhas@upmc.fr

Univers, année 1… milliard

Il était une fois les premières étoiles…

Le premier milliard d’années après le Big Bang est une période majeure de l’histoire de l’Univers qui a vu la formation des premières étoiles et galaxies. Les télescopes optiques actuels tels Hubble permettent d’observer la lumière émise par ces galaxies lointaines dans le temps et dans l’espace. Pourtant, le milieu intergalactique, qui compose alors 99% de la matière originelle, reste encore invisible. Benoît Sémelin, professeur UPMC au laboratoire d'étude du rayonnement et de la matière en astrophysique et atmosphères (Lerma, CNRS/Observatoire de Paris/Université de Cergy-Pontoise/UPMC/ENS Paris) présente le projet de radiotélescope géant Square Kilometer Array (SKA) qui va tenter en 2020 de voir… l’invisible.

 

À l’origine étaient les plasmas…

400 000 ans après le Big Bang, l’Univers est constitué d’un mélange gazeux quasi-homogène d’hydrogène et d’hélium à température élevée (3000 K), à l’état de plasma (où tous les atomes sont ionisés). Sous l’effet de l’expansion de l’Univers, le gaz se refroidit et les ions se recombinent avec les électrons formant des atomes électriquement neutres. Au cours des dizaines de millions d’années suivantes, les très faibles fluctuations de densité dans ce gaz froid s’amplifient sous l’effet de la gravitation pour ensuite déclencher la formation des premières étoiles. Celles ci sont regroupées en amas, constituant les galaxies primordiales.

 

Les modèles prédisent que les photons très énergétiques émis par les premières étoiles ionisent le gaz dans leur environnement immédiat. Des bulles ionisées apparaîtraient dans le milieu intergalactique autour des galaxies primordiales et grandiraient peu à peu jusqu’à fusionner. Un milliard d’années après le Big Bang, le milieu intergalactique est à nouveau complètement ionisé.

 

Le signal 21 cm

Le milieu intergalactique entre les bulles ionisées, est froid (quelques Kelvin à quelques dizaines de Kelvin). Les atomes très peu énergétiques n’émettent que peu de photons, ce qui les rend difficilement observables. Il existe cependant deux états fondamentaux différents pour l’atome d’hydrogène, séparés par une très faible différence d’énergie. La transition entre les deux états, dite hyperfine, émet un photon de longueur d’onde égal à 21 cm (domaine des ondes radio).

 

Remonter le temps avec SKA

SKA est un radio-interféromètre géant qui devrait voir sa première lumière en 2020 et sera capable d’observer ce signal. Il sera construit en deux parties, l’une en Afrique du Sud, l’autre en Australie, dans des régions très protégées des ondes radio d’origine humaine (radio FM, radar, téléphonie mobile). L’observation de l’époque de la réionisation, l’un des cinq projets scientifiques phares de l’instrument, sera réalisée sur la partie australienne de l’instrument (SKA-Low). Il s’agit de près de 250.000 antennes de réception radio à haute performance (10 fois plus de surface collectrice que le plus grand instrument actuel), reliées entre elles et pour l’essentiel situées à l’intérieur d’un cercle de 5 km de diamètre. Le flux de données générées par SKA-Low sera plus de 10 fois plus grand que le trafic Internet mondial actuel et la puissance de calcul nécessaire pour transformer ces données en résultat scientifique sera 100 fois supérieure à celle du plus gros ordinateur actuel. Mais, le calcul numérique est également nécessaire pour modéliser la physique du signal en amont des observations.

 

Simulation d’une région d’univers d’une taille de 300 millions d’années lumières, pendant le premier milliard d’année. La surface rouge renferme les régions du milieu intergalactique encore neutre. Les zones bleues constituent des régions ionisées entourant les galaxies primordiales. D. R.

 

Entre modèles et simulations

La simulation numérique de l’époque de la réionisation nécessite des codes complexes et une grande puissance de calcul. En effet, pour obtenir une prédiction réaliste du signal à 21 cm, il faut prendre en compte les actions de la gravitation, de l’hydrodynamique et du transfert de rayonnement dans plusieurs domaines de longueur d’onde. Cette physique complexe agit par ailleurs dans un milieu particulièrement inhomogène.

 

La gamme d’échelle pertinente pour la modélisation couvre au minimum 6 ordres de grandeur, de la taille des plus grandes bulles ionisées (> 3. 108 années lumières) à celle des plus petits nuages denses de gaz primordial qui se forment dans le milieu intergalactique (~3. 102 années lumières). Le nombre d’éléments de résolution nécessaires pour couvrir cette gamme d’échelle (de l’ordre d’une centaine de Teras, 1014) est près de 1000 fois supérieur à ce que permettent les meilleurs codes tournant sur les plus gros ordinateurs actuels.

 

Rendez-vous à l’aube cosmique

Les simulations actuelles se limitent à une gamme d’échelles plus restreinte. Elles utilisent néanmoins des milliers de cœurs de calcul en parallèle et nécessitent jusqu’à des millions d’heures de calcul mono-coeur. Elles permettent déjà de prédire les caractéristiques attendues du signal à 21 cm avec une précision meilleure que les modèles théoriques. Elles ont par exemple été à l’origine de modifications récentes des plans de SKA, pour lui permettre d’étendre ses observations à l’aube cosmique, la période au tout début de l’époque de la réionisation, pendant laquelle les observations sont plus difficiles mais les simulations prédisent un signal 21 cm plus fort.

 

L’observation par radiotélescope de cette lumière ténue servira à cartographier (en 3D) le milieu intergalactique pendant l’époque de la réionisation, à écrire l’histoire de la formation des premières sources de lumière et à en déterminer la nature (étoiles massives, quasars, contribution des supernovae). Il sera également possible d’affiner le modèle cosmologique standard de l’Univers.

Pour en savoir plus :

Laboratoire d'étude du rayonnement et de la matière en astrophysique et atmosphères (Lerma, CNRS/Observatoire de Paris/Université de Cergy-Pontoise/UPMC/ENS Paris)Nouvelle fenêtre



13/01/15