DE L'ASTRONOMIE : juste après le Big bang

Dans mon dernier sujet d’astronomie, j’évoquais l’apparition des premières galaxies et les interrogations que suscite leur création (voir sujet : les premières galaxies ) ; il y était question de courants « froids », nouvelle théorie qui venait s’opposer à celle, classique, selon laquelle ce sont des courants de gaz bien plus chauds qui seraient à l’origine des premières concentrations d’étoiles (voir sujet : le Big bang et le début de l’Univers ) ; dans les deux cas, on aboutissait à la formation de ces premières galaxies par la condensation d’immenses filaments de gaz.

Preuve que l’astronomie – ou plutôt ici la cosmologie scientifique – est en pleine effervescence, voici qu’interviennent à présent de nouveaux personnages : les quasars, objets les plus brillants de l’Univers, d’autant plus brillants qu’on regarde loin, c’est-à-dire dans le passé, et supposés traduire la présence de gigantesques trous noirs galactiques. On finit par s’y perdre : est-il envisageable de comprendre ce qu’il s’est passé lors des tout premiers moments de l’Univers ?

Les acteurs en présence

·         Le Big bang

Sans revenir sur les détails (déjà longuement évoqués) de la théorie, rappelons seulement qu’il aura fallu environ 300 000 ans pour que le monde devienne transparent et que les atomes de la matière puissent se créer et se stabiliser. Avant, il n’y avait qu’un magma initial incommensurablement chaud et c’est en refroidissant que ce magma a donc permis l’apparition de la lumière et de la matière que nous connaissons. De ce moment bien précis, il reste le rayonnement fossile (ou cosmologique, voir le sujet : fonds diffus cosmologique), encore perceptible dans toutes les directions célestes. Ensuite, la matière s’est condensée pour former les premières étoiles.

·         Les filaments cosmiques

La répartition des galaxies dans l’Univers n’est pas homogène : celles-ci se distribuent le long de filaments "cosmiques", créés juste après le Big bang et séparés par d’immenses étendues de vide, un peu comme les limites de bulles gigantesques placées côte à côte. La condensation des gaz par l’effet des forces gravitationnelles aurait permis la création le long de ces filaments des premières galaxies dont on comprend dès lors la répartition spéciale.

·         Les quasars

Lorsqu’on observe les galaxies, le plus souvent on trouve en leurs centres des objets très lumineux, les quasars (ou quasi-stellar radio-sources). Il est même arrivé que ces objets extraordinaires aient pu être confondus avec de véritables étoiles car leur intense lumière éclipsait celle des étoiles de la galaxie au sein de laquelle ils siègent (un article presque entier leur a déjà été consacré). Il aura fallu bien des observations et des controverses pour qu’on soit pratiquement certains aujourd’hui que ces quasars sont les signes indirects de trous noirs galactiques. Il faut par ailleurs noter que, plus on regarde loin dans le passé, plus ces quasars sont lumineux.

·         Les trous noirs

Il existe différentes variétés de trous noirs mais ceux qui nous intéressent aujourd’hui sont les trous noirs galactiques, c'est-à-dire ceux siégeant au centre d’une galaxie (chaque galaxie – y compris la nôtre – est supposée en posséder un). Dans les premiers temps, ces trous noirs (dont, rappelons-le, rien ne peut s’échapper, pas même la lumière) avaient beaucoup d’étoiles à leur portée et donc une activité intense : ils ont, bien sûr, grossi mais autour d’eux s’est progressivement créé un espace vidé de ses étoiles d’où leur baisse de vitalité. Comme leur activité est visible indirectement sous la forme de quasars, on comprend que ces derniers aient été bien plus lumineux et gigantesques par le passé et que, dans la plupart des galaxies proches, on ne mette plus en évidence que des « miniquasars ».

Jusqu’aux environs des années 2000, il n’y avait guère de suspense : les galaxies s’étaient créées par densification et accrétion des nuages de gaz, sous l’effet de la gravité, le long des filaments cosmiques. Une observation plus fine devait donc permettre de trouver dans le ciel lointain - celui des débuts - de petites galaxies devenant de plus en plus massives au fur et à mesure de leur vieillissement. On a donc demandé au télescope Hubble de nous confirmer tout ça… et c’est alors que la surprise a été de taille.

Les nouvelles observations de Hubble

On ne dira jamais assez tout l’intérêt scientifique qu’aura représenté (et représente encore dans l’attente de son successeur) le télescope spatial Hubble. Pour la première fois de son histoire, grâce à lui, l’Humanité a pu s’affranchir de sa planète et de son atmosphère quasi-oblitérante pour des observations visuelles de longue durée, incomparables en finesse et en pureté (dans d’autres domaines, notamment dans le non visuel, les observatoires terrestres internationaux du Chili sont également très performants). Un des domaines de prédilection du télescope Hubble est le ciel lointain, autrement dit le champ extragalactique, et, là, le moins que l’on puisse affirmer, c’est que les résultats de ses observations ont jeté un certain doute sur les théories alors en vigueur.

·         Des galaxies au plus loin de ce que l’on observe

Avant Hubble, on pensait qu’il avait fallu un certain temps, estimé au minimum à 1 ou 2 milliards d’années après le Big bang, pour qu’apparaissent les premières galaxies, une durée qui semblait suffisamment raisonnable pour la création et le rassemblement notable des toutes premières étoiles. Au fil des années, Hubble a observé de plus en plus loin dans l’espace (et, donc, comme on l’a déjà dit, dans le passé). Seulement voilà : en repoussant les limites d’observation de 5 à 6 milliards d’années-lumière jusqu’à récemment plus de 13 milliards d’années-lumière (soit 6 à 700 000 ans après le Big bang), on a eu une grosse surprise : même si loin dans le passé, il y a quand même des galaxies et en nombre… Premier accroc à la théorie jusque là admise.

·         Des galaxies géantes depuis le début

Classiquement, la théorie prévoyait un fait parfaitement logique : les galaxies se seraient formées peu à peu, par réunion de conglomérats d’étoiles. Du coup, dans cette vision, les galaxies sont d’abord petites puis grossissent lentement avec le temps jusqu’à former, des milliards d’années plus tard, des galaxies géantes. Oui mais ce n’est pas ce qui a été découvert par le télescope : ses clichés sont formels et des galaxies géantes (regroupant plus de mille milliards d’étoiles alors que, pour mémoire, la Voie lactée, notre galaxie, n’en renferme « que » 150 à 200 milliards) sont observables dès le premier milliard d’années après le Big bang. Comment cela est-il possible ? Deuxième accroc.

·         les trous noirs massifs des premières galaxies

Il est parfaitement possible de calculer pour chaque galaxie le rapport entre leur masse proprement dite et celle de leur trou noir central et là aussi les chiffres recèlent des surprises apparemment difficiles à expliquer. Pour les galaxies (relativement) proches, situées entre 1 et 6 milliards d’années-lumière, on trouve un rapport d’environ 700. Énoncé autrement, cela veut dire que ces galaxies « pèsent » approximativement 700 fois plus que leur trou noir. En observant plus loin, vers 10 milliards d’années-lumière, le rapport tombe à 300/400… et même à 200 pour les galaxies du début, vers 12 milliards d’années-lumière. Les calculs sont vite faits car, la matière étant toujours la même, il n’y a qu’une explication envisageable : les trous noirs du lointain passé étaient (beaucoup) plus massifs que les plus récents.  Comment faire coïncider cette découverte avec une théorie crédible ? Troisième accroc.

La théorie des trous noirs créateurs

C’est à ce stade des réflexions que la presse spécialisée s’est faite récemment le porte-parole d’une nouvelle approche : ce ne serait pas les étoiles qui auraient été formées en premier, juste après le Big bang, mais des trous noirs supermassifs dont l’activité aurait engendré les premières étoiles et galaxies.  Il s’agit d’une toute nouvelle théorie présentée par un astrophysicien du nom de David Elbaz (CEA de Saclay) et elle mérite, semble-t-il, qu’on s’y attarde un peu. 

Contrairement aux théories classiques, les trous noirs préexisteraient, on vient de le dire, à tout le reste. On connait ce type d’objets, forcément de façon indirecte puisqu’ils ne sont par définition pas visibles, grâce aux quasars qui les entourent : ces derniers, les sources les plus brillantes du ciel, sont probablement le résultat de la consumation de la matière absorbée par un trou noir ; c’est le seul moyen d’expliquer leur toute petite taille alors que leur luminosité dépasse parfois celle de la galaxie entière où ils se trouvent !

Imaginons-donc un quasar très actif, témoin du trou noir « phagocyteur » de matière qu’il entoure : les monstrueux jets de gaz propulsés par le trou noir tandis qu’il détruit la matière (voir le sujet trous noirs) provoquent dans un premier temps l’augmentation de sa taille ; par la suite, les tourbillons de gaz qui l’entourent entraînent la création d’un fantastique champ magnétique et c’est aux deux pôles de celui-ci que des faisceaux de gaz brûlant jaillissent pour traverser l’espace de part et d’autre du trou noir. Rencontrant alors des nuages d’hélium et d’hydrogène, ces faisceaux provoquent une considérable augmentation de la température locale et donc des réactions de fusion nucléaire : la conséquence en est connue et c’est l’éclosion de nouvelles étoiles pouvant assez rapidement s’agglutiner de manière à former des ensembles galactiques… Voilà une façon assez logique d’expliquer la présence très précoce de galaxies dans le passé de l’Univers. D’ogres abominables détruisant toute matière à sa portée, le trou noir, tel un Janus astronomique, est également propulsé au rôle de créateur d’étoiles !

Qu’en pense le petit microcosme de l’astronomie moderne ? Eh bien, comme toujours, il est divisé : certains sont enthousiasmés par cette nouvelle approche conceptuelle tandis que d’autres sont plus que sceptiques, avançant que le gaz entourant le quasar n’est que repoussé au loin sans création de nouvelles étoiles. La solution viendra peut-être d’une approche intermédiaire : le titulaire de la chaire d’astronomie de l’université d’Oxford déclarait récemment qu’il était possible que les trous noirs créent dans un premier temps des myriades d’étoiles avant que les gaz ne soient repoussés par sa force conjuguée au souffle de l’explosion des supernovae nouvellement formées.

L’avenir du passé

La barrière d’observation indépassable (étant donné, en tout cas, l’état actuel de nos connaissances) reste ce rayonnement fossile déjà évoqué, témoin de l’apparition de la lumière. Le télescope Hubble nous a permis de nous approcher de manière relativement fine jusqu’à environ 600 000 années-lumière du Big bang, c’est-à dire à quelques centaines de milliers d’années du point de départ (visible) ; la période encore manquante entre les observations de Hubble et le rayonnement fossile est probablement la plus intéressante de l’histoire de notre univers puisque son décryptage permettrait de trancher de façon presque définitive sur la formation des premières étoiles : on pourrait ainsi savoir quelle était la véritable nature des nuages de gaz concernés, pourquoi (et comment) la répartition des galaxies est ce qu’elle est, si les trous noirs primordiaux ont réellement contribué à l’amorce des galaxies, bref, toutes ces questions fondamentales qui passionnent la communauté astronomique internationale. Or, nous ne sommes pas très loin d’aboutir : dans quelques années, le successeur de Hubble, le télescope spatial James Webb, plus performant et bénéficiant de l’expérience de son illustre prédécesseur, sera enfin lancé et il devrait nous apporter les réponses à toutes ces questions. Peut-être.

Sources : Science & Vie, 1111, avril 2010

Images

1. ciel extragalactique : la nébuleuse d'Andromède m31 (sources : faculty.physics.tamu.edu)

2. filaments cosmique (simulation) (sources :  www.insu.cnrs.fr)

3. le quasar 3C 273 (sources : www.physics.uc.edu) 

4. fusion de galaxies (sources :  www.astronoo.com)

5. trou noir (vue d'artiste) (sources : boulesteix.blog.lemonde.fr) 

(Pour lire les légendes des illustrations, passer le pointeur de la souris dessus)

Mots-clés : galaxies premières - Big bang - cosmologie scientifique - quasars - rayonnement fossile (fonds diffus cosmologique) - filaments cosmiques - trous noirs galactiques - télescope spatial Hubble (en anglais et en français) - David Elbaz - télescope spatial James Webb

 (les mots en blanc renvoient à des sites d'informations complémentaires)

Sujets connexes sur le blog :

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5. Big bang et origine de l'Univers

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Mise à jour : 2 mars 2023