La première lumière

47 000 à 380 000 ans

Dans le gaz de la vingtième minute, un photon parcourt une courte distance, heurte un électron, repart dans une direction quelconque, en heurte un autre. Autour de lui, des noyaux nus d'hydrogène et d'hélium, des électrons que rien ne retient, et pour chaque noyau un milliard et demi de photons qui font le même trajet brisé que lui. Les neutrinos traversent ce gaz sans y toucher, comme ils le font depuis la première seconde ; la matière noire le double sans s'y mêler, elle ne lui parle que par la gravité. C'est un plasma. Aucun photon n'y garde sa direction assez longtemps pour porter une image : la lumière est partout, et l'on n'y voit rien, parce que chaque rayon a été dévié mille fois avant d'arriver où que ce soit. L'Univers est un brouillard très dense, éclairé de l'intérieur.

L'énergie de ce brouillard est d'abord dans sa lumière ; la matière, présente, pèse moins que les photons qui la baignent. Puis l'espace s'étire. Le même nombre de noyaux occupe un volume plus grand, et la matière se dilue. Le même nombre de photons occupe le même volume plus grand, et la lumière se dilue autant ; mais chaque photon, en plus, voit sa longueur d'onde s'allonger avec l'espace qu'il traverse, et un photon plus long porte moins d'énergie. La lumière perd sur deux tableaux quand la matière ne perd que sur un. Quel que soit l'écart de départ, la matière finira par l'emporter ; reste à savoir la date.

Vers 47 000 ans, la densité d'énergie de la matière dépasse celle du rayonnement. Dans une année où toute l'histoire de l'Univers tiendrait en douze mois, il est alors le 1er janvier, moins de deux minutes après minuit. Les petites inégalités que l'inflation a laissées partout — ici un peu plus de matière, là un peu moins — attendaient depuis le début ; tant que la lumière dominait, elles restaient au niveau où elles étaient nées. Maintenant la région un peu plus dense attire un peu plus fort, la matière voisine y tombe, l'écart se creuse. Des centaines de millions d'années plus tard, de ces creux sortiront les premières galaxies. Un observateur placé là, s'il avait existé, n'aurait rien vu de ce changement de garde : autour de lui, le brouillard.

Ce brouillard n'est pas immobile. La gravité tire sa matière vers les régions un peu plus denses, et l'essentiel de cette matière n'est pas celle des noyaux : Planck en pèse cinq fois et demie plus sous forme de matière noire que sous forme de matière ordinaire. La matière noire creuse donc les puits, et le reste y tombe — noyaux, électrons, et la lumière accrochée à eux.

La lumière s'y oppose. Les photons heurtent les électrons sans relâche et sont liés à eux par ces chocs ; les électrons tiennent aux noyaux par l'attraction électrique ; noyaux, électrons et photons ne font qu'un seul fluide. Quand la gravité pousse ce fluide dans un puits, les photons s'y entassent, et leur pression, qui monte avec l'entassement, le repousse. Le fluide se détend, dépasse l'équilibre, retombe, est repoussé encore. Une compression, une détente, répétées : c'est une onde sonore, et le plasma est parcouru d'ondes de pression comme l'air l'est par le son. La matière noire reste hors de cette danse. La lumière n'a aucune prise sur elle ; elle demeure au fond des puits qu'elle continue de creuser, pendant que le fluide oscille au-dessus. La gravité fournit le ressort, la lumière la raideur, et le fluide va de l'un à l'autre.

Toutes ces ondes sont parties au même moment, quand les fluctuations de l'inflation se sont trouvées en place au début de l'Univers chaud. Chacune met un temps qui dépend de sa taille à faire une compression et une détente : une petite région oscille vite, une grande lentement. À un instant donné, certaines sont au plus fort de leur compression, d'autres au creux de leur détente, d'autres entre les deux. Et il existe une distance que le son n'a pas pu dépasser depuis que l'Univers est chaud : 144 mégaparsecs à l'échelle d'aujourd'hui, 470 millions d'années-lumière — l'horizon sonore, la règle graduée que le chapitre suivant posera sur le ciel. En deçà de cette longueur, le brouillard vibre sur toute la gamme, et l'état de sa vibration change d'instant en instant, en attendant celui qui la figera.

Pour que le brouillard se lève, il faut que les électrons cessent d'être libres. Un atome neutre n'arrête presque pas la lumière ; un photon le croise sans être dévié. Tout dépend du moment où l'hydrogène peut garder son électron. Il faut 13,6 électronvolts pour le lui arracher, l'énergie typique des photons d'un rayonnement de 150 000 degrés, et les atomes devraient tenir dès que l'Univers passe sous cette température. Ils ne tiennent qu'à 3 000 K, cinquante fois plus bas, pour la raison même qui a retardé le deutérium : la température ne dit que l'énergie typique des photons, une petite fraction en porte beaucoup plus, et avec un milliard de photons par baryon cette fraction suffit. Un électron se pose sur un noyau ; un photon de la queue l'arrache. Il se pose ; il est arraché. Cela dure jusqu'à ce que la queue de haute énergie se soit assez amincie, vers 3 000 à 4 000 K.

Ce milliard est l'inverse de η, le rapport des baryons aux photons. Planck le lit à (6,104 ± 0,058) × 10⁻¹⁰, soit 1,6 milliard de photons pour un baryon, ce qu'a laissé le léger excès de la matière sur l'antimatière dans la soupe. Le même nombre décide deux fois du calendrier. Il a retenu le deutérium jusqu'à ce que le bain descende vingt fois sous l'énergie qui lie ce noyau ; il retient l'hydrogène jusqu'à cinquante fois sous l'énergie qui lie cet atome. Entre les deux énergies, un facteur cent mille — l'une se compte en millions d'électronvolts, l'autre en électronvolts — et la même logique. La recombinaison est tardive parce que la lumière est innombrable, pas parce que l'atome serait fragile.

Elle a lieu vers 3 000 K, quand l'Univers a environ 380 000 ans, à un décalage vers le rouge z ≈ 1 100. Ce nombre dit de combien l'Univers s'est étiré depuis que cette lumière est partie : les distances entre les amas de matière étaient alors 1 100 fois plus petites qu'aujourd'hui.

Le mot est mal choisi, et il faut le prendre pour un nom propre. Électrons et noyaux n'avaient jamais été combinés. C'est la première fois, dans l'histoire de l'Univers, que des atomes neutres existent en quantité.

La recombinaison n'a pas lieu en un instant. À mesure que la température baisse, les atomes neutres se multiplient, et la lumière trouve de moins en moins d'électrons libres sur son chemin. Planck place la surface de dernière diffusion à z* = 1089,92 ± 0,25 : le seuil où un photon n'a plus, en moyenne, qu'un seul choc devant lui, après quoi il file droit. À ce seuil l'Univers n'est pas encore neutre ; il ne l'est à 90 % que vers z ≈ 1 070, après s'être encore étiré de près de 2 %, et le processus déborde des deux côtés. Les dates le disent : 372 900 ans dans le tableau du Particle Data Group, 378 000 ou 379 000 dans les synthèses usuelles, 380 000 à l'Agence spatiale européenne — des moments différents d'une même transition. Le chiffre rond résume une fenêtre, pas un instant.

Deux choses se superposent ici, très proches dans le temps, et distinctes. La recombinaison est un événement de la matière : des électrons se lient à des noyaux, des atomes se forment. Le découplage est un événement de la lumière : des photons cessent d'être diffusés et voyagent. Le second vient du premier, puisque ce sont les électrons libres qui arrêtent la lumière ; mais il suffit qu'il en reste trop peu pour qu'un photon en rencontre un avant que l'expansion ne les ait écartés, et la lumière part alors que les atomes ne sont pas tous faits.

Quand le brouillard se lève, chaque photon part dans la direction de son dernier choc et ne la quitte plus. Il ne tourne plus. Il emporte l'état du plasma à l'endroit et à l'instant où il l'a quitté : un peu plus chaud là où le fluide était comprimé, un peu plus froid là où il était détendu, et la marque du puits de gravité dont il a dû sortir. Les ondes cessent au même moment. Privé de la pression des photons, le fluide de matière ordinaire n'a plus de raideur ; elles s'arrêtent là où elles en étaient, chacune au point de son cycle où la libération l'a surprise — celle-ci au plus fort de sa compression, celle-là au creux de sa détente, d'autres à mi-chemin. La lumière garde la photographie de cet arrêt, et elle la porte en ligne droite, depuis.

Cette surface nous entoure comme une sphère. Nous recevons aujourd'hui les photons partis de tous ses points à la même époque, qui ont voyagé exactement le temps qu'il fallait pour nous atteindre maintenant. La matière qui les a émis se trouve aujourd'hui, l'expansion comptée, à 45 milliards d'années-lumière ; au moment où la lumière la quittait, elle n'était qu'à une quarantaine de millions d'années-lumière de celle qui allait devenir notre Galaxie.

Aucune lumière ne peut nous venir d'avant 380 000 ans. Tout photon émis plus tôt a été diffusé, redirigé, brassé jusqu'à son dernier choc ; regarder plus loin que cette surface, c'est regarder dans un nuage. 380 000 ans est une limite de ce qu'on voit, pas une limite de ce qui a eu lieu : un mur, pas un début. Tout ce que les chapitres précédents ont raconté s'est passé derrière, et n'en est connu que par des traces — les abondances des noyaux légers, et l'empreinte que les fluctuations primordiales ont laissée dans cette lumière même.

Il n'est opaque que pour la lumière. Les neutrinos, partis dès la première seconde, l'ont traversé ; ils forment un fond fossile qu'on ne lit qu'indirectement, par ce qu'il a fait à la nucléosynthèse et au fond diffus. Les ondes gravitationnelles que l'inflation devrait avoir produites le traverseraient aussi, et elles n'ont pas été détectées. Voir derrière est possible en principe, avec d'autres messagers que la lumière ; à ce jour, on ne le fait pas.

Les photons libérés voyagent depuis sans être arrêtés, mais l'espace qu'ils traversent continue de s'étirer, et leur longueur d'onde s'étire avec lui. Depuis la recombinaison, l'Univers a grandi d'un facteur 1 100 — c'est le sens même de z ≈ 1 100 — et la température d'un tel rayonnement baisse dans la même proportion. 3 000 K divisés par 1 091 : 2,7 K. La lumière émise à la température d'un corps incandescent nous arrive à moins de trois degrés au-dessus du zéro absolu, dans le domaine des micro-ondes, de toutes les directions du ciel. C'est le fond diffus cosmologique, « la plus ancienne lumière de notre Univers, imprimée dans le ciel quand il n'avait que 380 000 ans ».

Sa température vaut 2,72548 ± 0,00057 K d'après la synthèse de Dale Fixsen en 2009, deux dix-millièmes d'incertitude. Plus que la température, c'est la forme du spectre qui compte, la manière dont l'énergie se répartit entre les longueurs d'onde : celle d'un corps noir, le rayonnement d'un corps en équilibre thermique parfait — « le spectre de corps noir le plus parfait jamais mesuré ». Un corps noir naît d'un milieu opaque où matière et lumière ont longtemps échangé jusqu'à l'équilibre ; le plasma était cela. L'expansion a ensuite étiré toutes les longueurs d'onde dans la même proportion, sans déformer la courbe, en abaissant seulement sa température. Aucune étoile, aucune galaxie, aucune poussière — mélanges de corps à des températures différentes — ne ferait un corps noir aussi pur sur tout le ciel.

Ce rayonnement fait aussi office d'horloge. Sa température baisse à mesure que l'Univers s'étend ; deux observateurs éloignés qui mesurent la même température du fond diffus vivent à la même époque de l'histoire cosmique. L'Univers porte son propre thermomètre, et il donne l'heure partout à la fois.

Sur l'année cosmique, cette lumière part un quart d'heure après minuit, le 1er janvier. La matière a pris le dessus deux minutes plus tôt à peine. Tout ce que ce livre a raconté jusqu'ici, du seuil jusqu'aux trois minutes, tient dans la première milliseconde de cette année ; tout ce qui suivra, des premières étoiles jusqu'à nous, occupe le reste des douze mois.

En 1948, Ralph Alpher et Robert Herman, qui travaillent sur la formation des éléments dans un Univers primordial chaud, prédisent qu'il doit en rester un rayonnement résiduel, refroidi par l'expansion jusqu'à environ 5 K. L'ordre de grandeur est juste, à un facteur deux près. La découverte vient d'ailleurs.

À Crawford Hill, près de Holmdel, dans le New Jersey, les laboratoires Bell disposent d'une grande antenne cornet, un pavillon évasé fait pour recevoir des signaux très faibles. Arno Penzias et Robert Wilson y mesurent, à 4 080 mégahertz, la température de bruit de l'antenne : la puissance qu'elle reçoit quand on ne vise rien, dite comme la température d'un corps qui produirait le même signal. Ils connaissent la part de l'atmosphère, celle de l'antenne elle-même, celle de l'électronique. La mesure dépasse la somme d'environ 3,5 K. La première date du 20 mai 1964.

Ce bruit en trop résiste à toutes les explications locales. Il est le même dans toutes les directions où l'on pointe l'antenne. Il n'est pas polarisé. Il ne varie pas d'une saison à l'autre, de juillet 1964 à avril 1965. Une source terrestre ou atmosphérique dépendrait de la hauteur au-dessus de l'horizon ; une source du Système solaire suivrait l'orbite de la Terre ; une source de la Galaxie serait plus forte vers la Voie lactée ; un défaut de l'instrument aurait peu de chances d'être à la fois isotrope, non polarisé et stable pendant dix mois. Reste une source qui remplit tout le ciel de la même manière et n'a pas changé à l'échelle de l'année : l'Univers lui-même.

L'article de 1965 porte un titre d'ingénieur : « Une mesure de l'excès de température d'antenne à 4 080 Mc/s ». La lecture cosmologique de cet excès, qui en fait le rayonnement prévu par Alpher et Herman, est proposée dans la foulée par d'autres physiciens ; Penzias et Wilson reçoivent le prix Nobel de physique en 1978. La plus vieille lumière de l'Univers est entrée dans la science comme un défaut, un bruit en trop qu'on cherchait à ôter d'une antenne de télécommunications. Ce qui la distingue d'un parasite n'est pas sa force mais sa régularité : la même partout, tout le temps. Et si elle porte l'état du plasma d'où sortiront les galaxies, elle ne peut pas être parfaitement uniforme ; elle doit porter, quelque part, la trace des inégalités.

Les inégalités sont minuscules. Le fond diffus est le même dans toutes les directions à une part sur 25 000 près ; ses variations de température d'un point du ciel à l'autre font un peu plus de 100 millionièmes de degré en moyenne quadratique — 2,725 K divisés par 25 000. Pour les voir, il faut mesurer des écarts d'un dix-millième de degré sur un rayonnement qui n'en fait pas trois.

Avant de les chercher, il faut retirer du ciel une variation trente fois plus grande, qui ne doit rien à l'Univers primordial. Le ciel micro-onde est plus chaud d'un côté et plus froid du côté opposé, de 3,36 millièmes de degré, parce que nous avançons dans ce bain : le Soleil s'y déplace à 370 kilomètres chaque seconde. Le rayonnement qui vient de l'avant est comprimé et paraît plus chaud, celui qui vient de l'arrière étiré et plus froid, d'une part sur mille — le rapport de notre vitesse à celle de la lumière. Ce dipôle retiré, on obtient le ciel que verrait un observateur immobile par rapport à l'expansion, et c'est dans ce ciel-là qu'il faut chercher.

COBE, satellite de la NASA, établit d'abord que le fond diffus a le spectre d'un corps noir ; puis il trouve les premières anisotropies. Les cartes de sa première année, publiées en 1992 par l'équipe de George Smoot, donnent trente millionièmes de degré de variation, à cinq près, quand le ciel est lissé à 10° — compatibles avec le spectre que prévoient les modèles d'inflation, la même amplitude à toutes les échelles. L'équipe reçoit le prix Nobel de physique en 2006.

COBE voyait les inégalités, pas encore les ondes. L'échelle angulaire des ondes figées, telle que Planck la mesure, est de 0,6° ; un instrument qui lisse le ciel à 10° mélange dans chacune de ses taches plusieurs centaines de ces motifs et n'en voit que la moyenne. Ce qu'il mesure, ce sont les très grandes échelles, plus grandes que l'horizon sonore, celles que le son n'avait pas eu le temps de parcourir avant que la lumière parte : les inégalités telles que l'inflation les a laissées, sans la vibration du plasma. Pour entendre ce que le brouillard vibrait, il fallait une vue plus fine.

La vue plus fine arrive avec WMAP, que la NASA lance le 30 juin 2001 ; il cartographie les anisotropies sur tout le ciel, bien plus serré, et collecte ses données jusqu'au 19 août 2010. Planck lui succède et publie ses résultats définitifs en 2018. Depuis, ACT au Chili et SPT au pôle Sud ont atteint ensemble la puissance de Planck sur certains paramètres, avec d'autres instruments, sur d'autres portions du ciel.

On ne lit pas une telle carte tache par tache. Chaque tache prise seule est un hasard, comme une vague sur la mer ; ce qui porte l'information est la statistique de l'ensemble, combien de taches de telle taille, avec quelle amplitude. On calcule le spectre de puissance de la carte, l'amplitude moyenne des fluctuations selon leur taille angulaire, et l'opération est celle qui décompose un son en fréquences : là où l'oreille entend un accord, l'analyse montre les notes qui le composent et leur intensité.

Le spectre montre une série de pics, et ce sont les ondes figées. Le premier pic : les ondes qui avaient eu tout juste le temps de se comprimer une fois. Le deuxième : celles qui s'étaient comprimées, puis détendues. Le troisième : celles qui en étaient à leur deuxième compression. Et ainsi de suite, pic après pic ; entre eux, les ondes surprises à mi-chemin, qui laissent peu de contraste. L'instrument avait des harmoniques, et la carte les a gardées. Ces pics avaient été prédits avant d'être vus. Wayne Hu et Scott Dodelson écrivent en 2002 que leur découverte « a établi un modèle cosmologique de travail » : un univers fait surtout de matière noire et d'énergie noire, dont les structures sont nées par instabilité gravitationnelle à partir de fluctuations quantiques produites pendant l'inflation.

Chaque pic répond à une question. La taille angulaire du premier dit la courbure : la physique du plasma fixe la taille réelle des ondes, la géométrie de l'espace traversé fixe leur taille apparente, et dans un espace courbe les rayons convergent ou divergent en chemin, le même objet paraît plus grand ou plus petit que dans un espace plat ; les données disent un univers plat. Le rapport du premier au deuxième pèse les baryons : ils alourdissent le fluide, et plus il y en a, plus les compressions, que la gravité aide, l'emportent sur les détentes, qui la combattent — or le premier pic est une compression, le deuxième une détente. Le troisième dit la matière noire, qui creuse les puits où le fluide oscille sans osciller elle-même.

Le modèle de base qui décrit la carte ne compte que six paramètres ajustés : la densité de matière ordinaire, celle de matière noire froide, l'échelle angulaire des ondes sonores, la part de cette lumière rediffusée plus tard quand les premières étoiles ont réionisé le gaz, et l'amplitude des fluctuations primordiales avec la manière dont elle varie selon l'échelle. Tout le reste — l'âge, la composition, le taux d'expansion — en est dérivé. Les neuf ans de données de WMAP restent bien ajustés par ce modèle et réduisent d'un facteur 68 000 le volume des combinaisons de paramètres permises avant la mission. Planck connaît les deux densités à moins d'un pour cent, et l'échelle angulaire, la grandeur la plus directement lue sur la carte, à 0,03 % près.

De la densité de matière ordinaire de Planck on tire η = (6,104 ± 0,058) × 10⁻¹⁰. Ici le chapitre rejoint le précédent. Injecté dans le calcul des trois minutes, ce nombre prédit un rapport du deutérium à l'hydrogène de 2,559 × 10⁻⁵ ; dans les nuages de gaz lointains éclairés par des quasars, on lit (2,55 ± 0,03) × 10⁻⁵. Deux physiques sans rapport — l'une nucléaire, qui opère pendant les premières minutes ; l'autre acoustique, qui opère jusqu'à 380 000 ans — pèsent la même quantité de matière ordinaire et trouvent le même résultat à un pour cent près, sans qu'aucune ait été ajustée sur l'autre.

Ce que l'Univers vibrait vers 380 000 ans est enregistré là, retrouvé par trois familles d'instruments, dans l'espace et au sol, et ne changera plus. Mais les dates qui scandent ce livre ne se lisent pas sur la carte. La carte est une mesure ; l'âge qu'on en tire est un calcul, qui suppose ce que l'Univers a fait entre cette lumière et nous. C'est ce calcul que le chapitre suivant démonte, étage par étage.