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Utilisant des antennes radio de la taille d’une table basse, une petite équipe d’astronomes a entrevu l’aube cosmique, au moment où les premières étoiles de l’univers ont commencé à briller il y a des milliards d’années. L’observation fournit également une preuve surprenante que les particules de matière noire – la matière invisible qui constitue la majeure partie de la matière de l’univers – peuvent être beaucoup plus légères que ne le pensaient les physiciens.

Si ce signal résiste aux observations des chercheurs, le résultat pourrait modifier l’image cosmologique des premiers temps de l’univers et bousculer la recherche de la matière noire. « Cela va générer énormément d’intérêt », explique Kevork Abazajian, un cosmologiste à l’Université de Californie (UC), Irvine. Mais d’autres s’inquiètent que le signal radio subtil signalé par l’équipe puisse être un artefact. « Je ne pense pas que pour le moment, au moins dans mon esprit, c’est une découverte claire », dit Aaron Parsons, un cosmologiste expérimental à l’UC Berkeley.

Les données proviennent de l’expérience de détection de la signature de réionisation, un réseau de trois millions d’antennes radio dans l’arrière-pays de l’Australie occidentale. Les cinq chercheurs d’EDGES ont cherché des signes que les atomes d’hydrogène qui envahissaient l’univers à ses débuts avaient absorbé les micro-ondes persistantes du big-bang.

L’absorption marque le moment juste après que les premières étoiles ont commencé à briller. Avant ce moment, les états internes des atomes étaient en équilibre avec les micro-ondes, émettant autant de rayonnement qu’ils en absorbaient. Mais la lumière des premières étoiles a bousculé les entrailles des atomes, perturbant l’équilibre et permettant aux atomes d’absorber plus de micro-ondes qu’ils n’en émettent.

L’expansion de l’univers étire le signal d’absorption de sa longueur d’onde originale de 21 centimètres à des longueurs d’ondes radio plus longues. Cependant, le bruit radio de notre galaxie est 30 000 fois plus intense. Pour la soustraire, les chercheurs d’EDGES se sont appuyés sur le spectre lisse et précisément prévisible du bruit. Cette semaine dans Nature, ils ont signalé la détection du signal d’absorption, ils concluaient que des nuages ​​d’hydrogène qui existaient entre 180 millions et 250 millions d’années après le big bang était à l’origine de cette absorption.

C’est la première chose que les scientifiques ont vue entre le fond de micro-ondes cosmique, 380 000 ans après le big bang, et la plus ancienne galaxie connue, qui a brillé 400 millions d’années plus tard, explique Judd Bowman. « C’est vraiment la seule sonde possible que nous avons de l’époque avant les étoiles », explique Bowman, qui est un astrophysicien expérimental à l’Arizona State University à Tempe. En fin de compte, les scientifiques espèrent utiliser le signal d’absorption ou l’émission plus faible du rayonnement de 21 centimètres des nuages ​​de gaz, pour cartographier la distribution 3D de l’hydrogène au cours de ces âges sombres cosmiques, traçant son évolution des galaxies embryonnaires.

« L’absorption est plus de deux fois plus forte que prévue, ce qui suggère que l’hydrogène était significativement plus froid que prévu. Le gaz doit avoir perdu de la chaleur et la seule chose plus froide était la matière noire, qui se fondait dans les amas qui formeraient les galaxies. », explique Rennan Barkana, astrophysicien à l’université de Tel Aviv en Israël. Dans un second article paru dans Nature, Barkana soutient que pour refroidir l’hydrogène, les particules de matière noire doivent avoir été moins de cinq fois plus massives qu’un atome d’hydrogène, sinon les atomes auraient rebondi sans perdre leur énergie et se refroidir, tout comme une balle de ping-pong rebondit sur une boule de bowling sans ralentir.

De nombreuses recherches sur la matière noire ont ciblé des particules massives hypothétiques à interaction faible, qui sont généralement censées peser des centaines de fois plus qu’un atome d’hydrogène. Comme ces recherches ont été effectuées à vide, certains physiciens ont commencé à chercher des particules de matière noire plus légères. « Ce nouveau résultat peut les encourager », nous explique Abazajian.

Cependant, il est trop tôt pour écarter une explication plus banale de l’absorption étonnamment forte, prévient Katherine Freese, astrophysicienne à l’Université du Michigan à Ann Arbor. « Ce scénario est-il le seul moyen d’expliquer cela ? »

« Une question plus pressante est de savoir si le signal est un artefact expérimental », nous explique Parsons. « Les mesures reposent sur des étalonnages qui pourraient produire de faux signaux s’ils ne sont que de quelques centièmes de pour cent », explique-t-il. Bowman affirme que lui et ses collègues « sont allés aussi loin que nous pouvons aller pour s’assurer qu’il n’y a pas d’erreur, mais, bien sûr, nous sommes impatients que les autres confirment ce résultat. » La confirmation pourrait provenir d’autres expériences qui sondent les âges sombres de l’univers.

[via Science]