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Posté par Michel le Mercredi 04/08/2010 à 00:00
Explorer l'époque de réionisation de l'Univers par le rayonnement à 21 cm
L'Univers est entré dans un âge sombre, juste après que les atomes d'hydrogène se soient recombinés, et avant que les premières sources (étoiles et quasars) puissent se former et envoyer leur première lumière. Cette lumière a commencé à réioniser l'hydrogène, d'abord autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent les 5 genres...) des sources, puis progressivement l'Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.) entier s'est réionisé. Cette époque de réionisation est estimée durer entre les redshifts de 12 à 6 (ou quand l'Univers avait entre 3 et 7 pourcents de son âge). Observer la raie émise par l'hydrogène à 21cm, décalée vers les longueurs d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière. Une onde...) métriques, pendant cette époque, permettra d'étudier la formation des premières structures de l'Univers. Les astronomes de l'observatoire de Paris (L'Observatoire de Paris est né du projet, en 1667, de créer un observatoire astronomique équipé de bons instruments permettant d'établir des cartes pour la navigation....) ont prédit le signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les signaux...) à 21cm par des simulations numériques, traitant le transfert radiatif avec moins d'approximations que les travaux précédents. Ils prouvent que le signal serait plus fort et plus facile à observer au début de l'époque.


Image d'une simulation de l'époque de réionisation.
L'échelle est indiquée dans la figure, 1 Mpc ~ 3 10^22 m.
Le cube (En géométrie euclidienne, un cube est un prisme dont toutes les faces sont carrées. Les cubes figurent parmi les solides les plus remarquables de l'espace. C'est un des cinq solides de Platon, le...) simulé représente une partie de l'Univers au redshift z~7.5, quand l'IGM est 50% réionisé.
L'IGM ionisé est représenté en bleu (Bleu (de l'ancien haut-allemand « blao » = brillant) est une des trois couleurs primaires. Sa longueur d'onde est comprise approximativement entre 446 et 520 nm. Elle varie en luminosité du...) translucide et l'IGM neutre est entouré par des surfaces rouges et bleues.
Une fois que l'IGM est ionisé, il est optiquement mince et transparent,
mais l'IGM neutre est optiquement épais.

Quand les premières étoiles se sont formées (il y a environ 13,3 milliards d'années), l'image du jeune Univers était très différente d'aujourd'hui. Après le Big Bang (Le Big Bang est l’époque dense et chaude qu’a connu l’univers il y a environ 13,7 milliards d’années, ainsi que l’ensemble des modèles cosmologiques qui la...), la température du fond cosmologique était assez haute pour maintenir les baryons dans un état de plasma ( En physique, le plasma décrit un état de la matière constitué de particules chargées (d'ions et d'électrons). Le plasma quark-gluon est un plasma qui constituerait...), puis elle est tombée en raison de l'expansion adiabatique (En thermodynamique, une transformation est dite adiabatique (du grec adiabatos, « qui ne peut être traversé ») si elle est effectuée sans qu'aucun échange de chaleur n'intervienne...) de l'Univers. Environ 400 000 ans après le Big Bang, les protons se sont recombinés avec les électrons libres pour former des atomes d'hydrogène neutres: c'est le premier changement de phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) de l'Univers. Le rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.) du fond cosmologique (CMB) émis pendant cette recombinaison nous indique que la formation des structures dans l'Univers démarre avec un champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) très homogène en densité. Puis l'Univers entre dans l'âge sombre, qui dure jusqu'à ce que les premiers objets liés gravitationnellement se forment et émettent la première lumière. Les premières étoiles étaient enfouies dans un Milieu InterGalactique (IGM) principalement neutre, mais le rayonnement UV des premières étoiles a commencé à réioniser l'IGM. C'est le deuxième changement de phase de l'Univers, de l'état neutre à l'état ionisé (quand l'Univers avait entre 1 et 7 pourcents de son âge), appelé l'époque de réionisation.

L'époque de réionisation commence à la naissance des premières étoiles. Nous ne savons pas exactement quand les premières étoiles se sont formées, ceci n'est pas donné dans les simulations, par manque de dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) et de résolution spatiale. La fin de la réionisation devrait se produire au redshift z~6, comme le prouve l'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés....) des spectres d'absorption ( En optique, l'absorption se réfère au processus par lequel l'énergie d'un photon est prise par une autre entité, par exemple, un atome qui fait une transition entre deux...) des quasars distants, indiquant un IGM complètement ionisé après ce redshift. Observer et explorer l'IGM pendant l'époque de réionisation est très important pour étudier la formation des premières étoiles et des premiers quasars.

Le rayonnement (1) à 21 cm, émis à la transition entre l'état singlet et triplet de l'atome (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant...) d'hydrogène dans son état fondamental d'énergie, est excellent pour explorer l'IGM pendant la réionisation, parce que l'IGM se compose de 75% d'hydrogène et de 25% d'hélium (en masse). Comme le rayonnement à 21 cm est optiquement très mince, il se propage sans être absorbé ou dispersé par des nuages de poussière et de gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de volume propre : un gaz tend à occuper tout le...). Il est très utile pour étudier la topologie (La topologie est une branche des mathématiques concernant l'étude des déformations spatiales par des transformations continues (sans arrachages ni recollement des structures).) et d'autres propriétés de l'IGM pendant la réionisation. Dans la prochaine décennie, de grands radio-interféromètres métriques (LOFAR, MWA, SKA) commenceront à être opérationnels et à observer le signal 21 cm à ces redshifts élevés (z=6-11).


Les cartes de signal à 21cm prédites par les simulations, à 3 époques différentes (z=10, 8.5 et 7.6).
Chaque panneau correspond à une région 1° par 1° du ciel (Le ciel est l'atmosphère de la Terre telle qu'elle est vue depuis le sol de la planète.), et l'épaisseur de la tranche est ~ 2 Mpc.
Le signal à 21 cm est observé par la différentielle de la température de brillance Delta-Tb, en mK.
Le signal est soit en émission (dTb > 0 mK) soit en absorption (dTb < 0 mK).
Une fois que l'IGM est ionisé par les sources UV, il n'y a plus d'atome (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple...) d'hydrogène, et plus de signal 21cm,
d'où la prédiction 0mK dans la région ionisée orange, délimitée par le contour noir.
Pendant les premières phases de la réionisation, le signal est observé en régime d'absorption forte
(par le gaz d'hydrogène plus froid (Le froid est la sensation contraire du chaud, associé aux températures basses.) que le CMB), en particulier autour des sources.

La modélisation du signal par des simulations numériques avant l'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête...) est une étape essentielle afin d'optimiser la conception des instruments et l'analyse de données. L'équipe de l'Observatoire de Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville est construite sur une boucle de la Seine, au centre du bassin parisien, entre les confluents de...) a prédit le signal à 21 cm pendant la réionisation par des simulations de transfert radiatif. On doit connaître ou estimer beaucoup de paramètres physiques de l'IGM et de nombreuses propriétés des sources, pour dériver le signal à 21cm: le champ de densité, la vitesse (On distingue :), la fraction d'ionisation (L'ionisation est l'action qui consiste à enlever ou ajouter des charges à un atome ou une molécule. L'atome - ou la...), la température cinétique, le flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant dans un sens commun....) local de photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées...) Lyman-alpha de l'hydrogène , etc.... Tous ces éléments ont été estimés et calculés avec moins d'hypothèses simplificatrices que les études précédentes afin de prédire une carte plus exacte du signal 21 cm pendant la réionisation. Ces calculs ont montré qu'un flux local de Lyman-alpha non homogène multiplie l'amplitude (Dans cette simple équation d’onde :) du signal à 21 cm par un facteur 10, par rapport aux travaux précédents qui supposaient un flux homogène de photons Lyman-alpha. Ces résultats impliquent que les observations de la réionisation très tôt dans l'Univers (z>10) bénéficieront probablement d'une valeur signal-sur-bruit plus élevée que pendant les stades avancés. En outre, différents sortes de sources ionisantes ont été considérées, modifiant les propriétés statistiques (La statistique est à la fois une science formelle, une méthode et une technique. Elle comprend la collecte, l'analyse, l'interprétation de données ainsi que la présentation de ces ressources afin de les rendre...) du signal à 21 cm. Les observations permettront donc de contraindre la nature des premières sources.

Note:

(1) En fait, c'est une transition interdite, dont la probabilité est très faible, mais nous pouvons l'observer grâce au grand nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) d'atomes d'hydrogène sur chaque ligne de visée.


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Source et illustrations: Observatoire de paris
 
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