Le rallumage

~0,3 à ~1,1 Ga

Un préfixe qui dit tout

Le terme savant est « réionisation », et son préfixe dit l'essentiel. L'hydrogène de l'Univers a déjà été ionisé une première fois. Avant 380 000 ans, ses noyaux et ses électrons circulaient séparément, dans un plasma où la lumière rebondissait sans cesse sur les électrons libres. Vers 3 000 K, les électrons se sont liés aux noyaux, et la lumière est partie en ligne droite : c'est le fond diffus (→ chap. 6)wiki-recombwiki-cmb. Pendant les centaines de millions d'années qui suivent, le gaz reste neutre (→ chap. 8). Puis les étoiles et les galaxies arrachent de nouveau les électrons de cet hydrogène : l'Univers repasse à l'état ionisé wiki-chrono. La réionisation est donc un retour à l'état d'avant la première lumière, mais dans un Univers devenu très différent.

Pour comprendre ce que change ce retour, il faut voir comment le gaz neutre traite la lumière. Il ne la traite pas toute de la même manière. La lumière du fond diffus le traverse sans être gênée : il n'y a plus d'électrons libres pour la dévier, et ses photons n'ont pas l'énergie d'arracher l'électron d'un atome d'hydrogène. Il faut pour cela 13,6 électronvolts, bien plus que l'énergie typique d'un photon à 3 000 K ; c'est d'ailleurs pourquoi la recombinaison a attendu que la température descende si bas wiki-recomb(→ chap. 6). Le rayonnement ultraviolet des étoiles jeunes contient au contraire des photons qui dépassent ce seuil. Chacun d'eux, en rencontrant un atome d'hydrogène neutre, lui arrache son électron, et il est absorbé dans l'opération¹. Un gaz neutre est donc transparent au fond diffus et opaque à l'ultraviolet ionisant. Les premiers photons ultraviolets émis par une galaxie ne vont pas loin : ils sont consommés par le gaz qui l'entoure.

La frise du livre définit la réionisation par ce qu'elle change : l'Univers redevient transparent aux ultraviolets, entre environ 0,3 et environ 1,1 milliard d'années après le début esa2015reionBosman 2022². Une fois ionisé, l'hydrogène n'a plus d'électron à perdre, et le photon ultraviolet qui le traverse passe sans être absorbé.

On pourrait objecter qu'un gaz ionisé est justement ce qui rendait l'Univers opaque avant 380 000 ans. Il l'est redevenu, un peu. Mais entre la recombinaison et la réionisation, l'Univers s'est dilaté plus de cent fois dans chaque direction. Le gaz est donc devenu plus d'un million de fois moins dense³. Les électrons libérés sont trop dispersés pour rendre à la lumière son ancien brouillard. Ils en diffusent seulement une petite fraction, et cette petite fraction est justement ce qui permet de dater la réionisation (section « Le milieu, lu dans la plus vieille lumière »).

Le « rallumage » dont parle ce chapitre se distingue donc de l'allumage qu'ont raconté les chapitres précédents. Les premières étoiles se forment, selon la théorie, à partir d'environ 100 millions d'années Klessen 2023(→ chap. 9). Les premières galaxies confirmées brillent vers 280 millions d'années, et elles sont déjà cent fois plus nombreuses que prévu Naidu 2025(→ chap. 10). L'allumage concerne les sources, le rallumage concerne l'espace entre elles : le gaz intergalactique, transformé par la lumière que les sources y envoient. Le premier est un événement local, qui se produit au cœur de chaque halo. Le second est un changement d'état du milieu qui remplit le cosmos. C'est lui qui met fin à la nuit au sens de la seconde définition du chapitre sur les âges sombres, celle qui se mesure (→ chap. 8).

Sur l'année cosmique, où les 13,8 milliards d'années de l'histoire sont ramenés à douze mois, la réionisation commence vers le 9 janvier. Elle passe son mi-parcours vers le 18 et s'achève vers le 29⁴. La nuit avait duré deux jours et demi. La reconquête de la transparence prend trois semaines.

Les premières bulles

Le début de la réionisation ne se voit pas à l'échelle du cosmos. Il se voit au cas par cas, galaxie par galaxie, et pour l'instant dans un seul cas.

En 2025, l'équipe de Joris Witstok publie dans Nature l'observation, par le télescope spatial James Webb, d'une galaxie à z = 13,0, vue 330 millions d'années après le Big Bang Witstok 2025. Le chapitre sur les âges sombres l'a rencontrée sous son nom de catalogue, JADES-GS-z13-1-LA, comme point de contrôle de la conversion des décalages vers le rouge en âges (→ chap. 8). Son spectre montre une raie Lyman-α intense. Cette raie est la lumière ultraviolette qu'émet un atome d'hydrogène quand son électron retombe sur le niveau d'énergie le plus bas, et c'est aussi la lumière que l'hydrogène neutre absorbe le plus volontiers⁵. Une galaxie entourée de gaz neutre devrait donc voir sa raie Lyman-α effacée par ce gaz avant qu'elle ne s'échappe vers nous. L'équipe écrit que des étoiles massives et chaudes, ou un noyau actif de galaxie, ont créé autour de celle-ci « une région réionisée précoce » qui a empêché « l'extinction complète » de la raie Witstok 2025.

L'argument se reconstruit en trois étapes. D'abord, la raie est là, et intense. Ensuite, à 330 millions d'années, le gaz intergalactique est encore neutre presque partout : le mi-parcours de la réionisation ne viendra que des centaines de millions d'années plus tard (section suivante). Enfin, pour que la raie passe, il faut que la lumière ait pu s'éloigner de la galaxie sans rencontrer d'hydrogène neutre sur une distance suffisante. Il existait donc, autour de cette galaxie, une bulle de gaz déjà ionisé, creusée par son propre rayonnement⁶. Witstok et ses coauteurs n'ont pas vu le gaz ionisé directement. Ils l'ont déduit de ce que la raie aurait dû subir en son absence.

Deux réserves bornent ce que l'observation établit. La première porte sur la source. L'équipe ne tranche pas entre des étoiles massives et chaudes, qui produisent beaucoup d'ultraviolet ionisant, et un noyau actif, c'est-à-dire un trou noir qui avale du gaz et le fait briller Witstok 2025(→ chap. 10). Dès la première bulle observée, la question « par qui » se pose, et elle reste ouverte. La seconde réserve porte sur la portée. C'est un cas isolé, qui ne mesure rien de l'état global du gaz Witstok 2025⁷. Une galaxie qui a creusé sa bulle à 330 millions d'années dit que la réionisation avait commencé quelque part à cette date. Elle ne dit pas quelle fraction de l'Univers était alors ionisée. Cette fraction devait être minuscule, puisque le fond diffus place le mi-parcours bien plus tard.

Le cas suffit pourtant à fixer une date. La galaxie de Witstok est vue à peine 50 millions d'années après MoM-z14, la plus lointaine galaxie confirmée à ce jour Naidu 2025. À ce que l'on peut voir, le rallumage commence donc presque en même temps que les galaxies elles-mêmes : dès qu'une source brille assez fort, elle commence à ioniser son voisinage.

Cette observation donne aussi l'image qui organise tout le chapitre. Chaque source ionise d'abord le gaz qui l'entoure. Ses photons ultraviolets partent dans toutes les directions et sont absorbés par les premiers atomes neutres qu'ils rencontrent. Ils creusent ainsi une région ionisée dont la frontière avance tant que la source continue de briller. Les sources sont nombreuses, et leurs bulles grossissent jusqu'à se toucher, puis se rejoindre. Le gaz neutre se retrouve alors réduit à des îlots de plus en plus petits, dans les régions les plus éloignées des sources. La réionisation procède ainsi, par bulles qui grossissent et se rejoignent wiki-chrono(→ chap. 8)⁸. Cette image a une conséquence qui commande toute la suite. À un même instant du temps cosmique, un lieu peut être ionisé depuis longtemps et un autre encore neutre. La réionisation n'a pas lieu à une date donnée : chaque région de l'Univers a la sienne.

Le milieu, lu dans la plus vieille lumière

Le mi-parcours se lit dans le fond diffus lui-même. Le chapitre sur les âges sombres a décrit le mécanisme (→ chap. 8). Les électrons que la réionisation libère diffusent, de nouveau, une petite partie de la lumière du fond diffus, qui voyageait en ligne droite depuis 380 000 ans. La grandeur qui compte ces diffusions s'appelle la profondeur optique. C'est celle qui définissait déjà la surface de dernière diffusion, et elle mesure le nombre moyen de diffusions qu'un photon subit sur son trajet (→ chap. 6). Pour la réionisation, Planck mesure τ = 0,054 ± 0,007 Planck 2018 : environ 5 % des photons du fond diffus ont été diffusés une seconde fois⁹.

Ce nombre n'a rien d'une mesure annexe. La profondeur optique de réionisation est l'un des six paramètres ajustés du modèle cosmologique de base de Planck. Les cinq autres sont la densité de matière ordinaire, la densité de matière noire, l'échelle angulaire des ondes sonores figées à la recombinaison, et l'amplitude et la pente des fluctuations primordiales planck2018tab(→ chap. 6). Tout le reste en est dérivé, y compris l'âge de l'Univers. Planck ne peut donc pas se passer de la réionisation pour lire sa carte. Une diffusion supplémentaire, même faible, atténue et brouille légèrement les motifs du fond diffus, et il faut la compter pour interpréter ces motifs correctement¹⁰. La réionisation laisse ainsi sa trace dans l'observation qui sert de socle à toutes les dates de ce livre.

Ce total n'est pas encore une date. τ compte les électrons libres que la lumière a rencontrés en chemin, pas le moment où elle les a rencontrés. Une réionisation précoce et étalée peut donner le même τ qu'une réionisation tardive et brusque. Pour en tirer un calendrier, Planck suppose une forme : une bascule en S de l'état neutre à l'état ionisé, décrite par une fonction appelée tangente hyperbolique (tanh), autour d'un décalage vers le rouge central qu'on ajuste Planck 2018¹¹. Le mi-parcours tombe alors à z = 7,68 ± 0,79 Planck 2018. Planck le précise lui-même : ce mi-parcours « suppose un modèle tanh simple » Planck 2018.

Converti en âge, z = 7,68 donne environ 670 millions d'années avec la règle que le livre utilise pour ces époques, et la marge en z correspond à une fourchette d'environ 590 à 780 millions d'années (→ chap. 8)¹². Pour z = 7,7, le tableau du Particle Data Group, calculé avec l'ajustement Planck 2018, donne 690 millions d'années pdg2019-astro. Il faut dire d'où vient cette différence. L'âge d'un décalage vers le rouge se calcule dans le modèle ΛCDM, en intégrant l'histoire de l'expansion Hogg 1999(→ chap. 7). La règle simple du livre néglige l'énergie noire, qui commence à peser un peu à ces époques, alors que le calcul complet l'inclut¹³. Ces vingt millions d'années d'écart entre deux conversions sont quatre à cinq fois plus petits que l'incertitude qui vient de la mesure elle-même. Écrire « 670 » ou « 690 millions d'années » revient au même : le mi-parcours tombe entre 600 et 800 millions d'années environ, si la transition a la forme supposée.

Ce qu'une telle mesure permet et interdit se voit mieux sur un exemple. Un scénario où la réionisation serait conduite par les seuls trous noirs place son mi-parcours à z ≈ 6,5 à 6,7 Madau 2024 (section « Qui a fourni la lumière ? »). Cette valeur tombe juste sous la marge de Planck, qui descend à z ≈ 6,9, à un peu plus d'un écart-type de la valeur centrale¹⁴. Le fond diffus penche donc contre un calendrier aussi tardif, sans l'exclure. C'est l'ordre de précision de τ : il écarte les réionisations très précoces, il départage mal les calendriers voisins.

Cette date a bougé. En 2015, l'Agence spatiale européenne annonçait, à partir des données de Planck, que les âges sombres avaient pris fin « quelque 550 millions d'années après le Big Bang, plus de 100 millions d'années plus tard qu'on ne le pensait auparavant » esa2015reion. Le chapitre sur les âges sombres a noté que le communiqué ne dit pas quelle grandeur il retenait comme « fin », ni sur quelle mesure antérieure reposait l'estimation plus précoce (→ chap. 8). Le sens du déplacement est clair, lui. Chaque analyse du fond diffus a repoussé le rallumage plus tard, et les premières galaxies ont eu plus de temps pour le produire.

La fin, lue dans les quasars

Pour la fin de la réionisation, le fond diffus ne suffit pas : τ additionne toute l'histoire et ne sait pas isoler son dernier chapitre. La fin se lit dans d'autres sources de lumière, les quasars. Ce sont des noyaux de galaxies extrêmement lumineux, alimentés par des trous noirs géants qui avalent du gaz (→ chap. 9)¹⁵. Leur éclat permet de les voir de très loin, et leur lumière traverse sur son trajet tout le gaz intergalactique qui les sépare de nous.

Le principe de la mesure est le suivant. En chemin, la lumière du quasar est étirée par l'expansion. Chaque longueur d'onde passe donc, à un moment ou à un autre, par la longueur d'onde de la raie Lyman-α, celle que l'hydrogène neutre absorbe le plus volontiers. Si, à cet endroit du trajet, il reste de l'hydrogène neutre, la lumière est absorbée à cette longueur d'onde. Le spectre du quasar garde ainsi, longueur d'onde par longueur d'onde, la trace de l'état du gaz tout au long de la ligne de visée, à la manière d'une carotte prélevée dans le temps¹⁶. Le titre de l'étude de référence le dit : il s'agit de mesurer la « profondeur optique Lyman-α » du gaz intergalactique Bosman 2022.

En 2022, Sarah Bosman et ses coauteurs analysent les spectres de 67 quasars lointains. Ils trouvent des « fluctuations liées à la réionisation » qui persistent dans le gaz intergalactique « au moins jusqu'à z = 5,3 », soit 1,1 milliard d'années après le Big Bang Bosman 2022. La règle du livre donne la même valeur pour ce décalage vers le rouge¹². Ces fluctuations sont des variations de l'absorption d'une ligne de visée à l'autre. On les lit comme la signature des dernières poches de gaz neutre, que la lumière des sources n'avait pas encore atteintes (→ chap. 8)¹⁷. Un gaz entièrement ionisé depuis longtemps serait plus uniforme. Un gaz où survivent des îlots neutres varie d'une direction à l'autre, selon que la ligne de visée en traverse un ou non. Le titre de l'article en tire la conclusion : la réionisation de l'hydrogène « s'achève à z = 5,3 » Bosman 2022.

Le nombre de quasars compte. Une seule ligne de visée pourrait traverser, par hasard, une région particulièrement neutre ou particulièrement ionisée. Soixante-sept lignes de visée donnent une statistique : elles montrent que la dispersion elle-même, et pas un cas particulier, persiste jusqu'à cette époque¹⁸. La méthode a d'ailleurs la forme de la réponse qu'elle donne. Puisque la fin de la réionisation est inégale, on ne peut la saisir qu'en comparant beaucoup de directions.

La borne de fin a reculé plus que toutes les autres. Les synthèses plus anciennes donnaient une réionisation « pour l'essentiel achevée » vers 500 millions d'années wiki-chrono. En 2015, Planck la voyait achevée vers 900 millions d'années esa2015reion. En 2022, les quasars la prolongent jusqu'à 1,1 milliard d'années Bosman 2022. Sur l'année cosmique, la fin est passée du 13 au 24, puis au 29 janvier⁴. Entre la première estimation et la dernière, elle a reculé de six cents millions d'années, plus que la durée de la réionisation telle que la voyaient les synthèses anciennes¹⁹.

Ce recul ne tient pas à une suite d'erreurs corrigées. Il tient à la difficulté propre de ce qu'on cherche. Le début d'un processus par bulles se signale par une source brillante et sa bulle. La fin se signale par l'absence d'une chose : les derniers îlots neutres, petits, dispersés, loin des sources, qu'on ne détecte qu'en accumulant des lignes de visée. Chaque progrès dans le nombre et la qualité des spectres a permis de voir des îlots plus tardifs. Rien ne garantit que z = 5,3 soit le dernier mot : Bosman et ses coauteurs écrivent « au moins jusqu'à » Bosman 2022¹⁹.

Environ 700 millions d'années

Les trois repères peuvent maintenant être mis bout à bout. Au début, une galaxie a déjà creusé sa bulle à 330 millions d'années Witstok 2025. Au milieu, le fond diffus place le mi-parcours vers 670 millions d'années, dans un modèle de transition simple Planck 2018. À la fin, les quasars montrent des îlots neutres jusqu'à 1,1 milliard d'années Bosman 2022. Entre le premier et le dernier repère, il s'écoule quelque 770 millions d'années. La réionisation est donc un processus d'environ 700 millions d'années, par bulles qui grossissent et se rejoignent wiki-chrono²⁰. C'est l'intervalle qu'inscrit la frise du livre, de ~0,3 à ~1,1 milliard d'années esa2015reionBosman 2022.

Ce bilan ne permet pas de donner une date, pour trois raisons de nature différente.

La première tient au processus. La réionisation n'est pas un événement bref : elle dure plus longtemps que tout ce qui l'a précédé depuis la première lumière. Donner une date reviendrait à choisir un moment dans un processus de sept cents millions d'années, et il faudrait dire lequel : le premier photon ionisant qui s'échappe d'une galaxie, la moitié du gaz ionisée, ou la dernière poche neutre effacée.

La deuxième raison tient à l'inégalité du processus. Par bulles, la réionisation avance plus vite près des sources et plus lentement loin d'elles. Même en choisissant un critère, par exemple « le gaz est ionisé ici », la date dépendrait du lieu. Le processus n'a pas de date unique à l'échelle de l'Univers, et en chercher une n'aurait pas de sens.

La troisième raison tient à la mesure. Chacun des trois repères vient d'un observable qui voit une chose différente. La galaxie de Witstok voit une bulle, à un endroit. Le fond diffus voit un total sur toute l'histoire et sur tout le ciel, qu'il convertit en date grâce à une forme supposée. Les quasars voient le gaz le long de soixante-sept lignes de visée. Aucun de ces repères ne mesure la même grandeur que les autres. Tous livrent des décalages vers le rouge, convertis en âges dans le modèle standard Hogg 1999(→ chap. 7). La conversion est solide à ces époques, à quelques pour cent près (→ chap. 8). Ce qui bouge, ce sont les z auxquels on attache chaque étape.

Les bornes restent donc débattues. Le début dépend du prochain cas isolé qu'on trouvera plus tôt. La fin dépend du prochain îlot neutre qu'on détectera plus tard. Le milieu dépend de la forme supposée de la transition. L'ordre de grandeur, lui, ne se discute plus : quelques centaines de millions d'années de reconquête lente, entre le premier tiers du premier milliard d'années et un peu après sa fin Bosman 2022Planck 2018. La formule que la frise recommande est la seule exacte : la réionisation s'étend entre quelques centaines de millions et un milliard d'années environ esa2015reionBosman 2022²¹.

Ce bilan répond en partie à la question de la partie : pourquoi la chronologie de l'allumage change-t-elle sans cesse ? Les conversions sont stables, les observables ne le sont pas. Webb pousse le début vers le passé en trouvant des bulles de plus en plus tôt. Les quasars poussent la fin vers le présent en trouvant des îlots neutres de plus en plus tard. Le fond diffus, entre les deux, déplace le milieu à chaque analyse. La réionisation s'allonge par les deux bouts à mesure qu'on la regarde mieux.

Qui a fourni la lumière ?

Pour ioniser l'hydrogène d'un Univers entier, il faut des photons ultraviolets, en nombre au moins égal à celui des atomes à ioniser. Trois quantités déterminent ce nombre. La première est le nombre de sources. La deuxième est le nombre de photons ionisants que chacune produit. La troisième est la fraction de ces photons qui s'échappe de la galaxie qui les émet. Le gaz et la poussière de la galaxie absorbent en effet une partie de son propre rayonnement avant qu'il atteigne le milieu intergalactique²². Le produit des trois doit suffire à expliquer la réionisation, et au bon rythme.

Longtemps, le problème fut de trouver assez de photons Atek 2024²³. Webb l'a inversé.

Les galaxies naines

En 2024, l'équipe d'Hakim Atek observe des galaxies faibles du premier milliard d'années derrière un amas de galaxies qui sert de loupe. La masse de l'amas courbe la lumière des objets situés derrière lui et l'amplifie, comme pour le candidat de population III LAP1-B (→ chap. 9)Visbal 2025. Cette amplification rend mesurables des galaxies trop faibles pour être étudiées autrement. L'équipe trouve que ces galaxies produisent quatre fois plus de photons ionisants, pour une même lumière ultraviolette, que les valeurs qu'on supposait couramment Atek 2024²⁴. La conséquence tient dans une phrase de l'article : le taux de photons ionisants « dépasse ce qui est nécessaire à la réionisation, même pour des fractions d'échappement de l'ordre de 5 % » Atek 2024. Même si dix-neuf photons sur vingt restent piégés dans leur galaxie, le vingtième suffit. Le titre de l'article en tire la conclusion : la plupart des photons qui ont réionisé l'Univers viennent des galaxies naines Atek 2024.

L'argument repose sur le nombre. Les galaxies faibles sont individuellement modestes, mais elles sont beaucoup plus nombreuses que les brillantes, et leur contribution cumulée l'emporte²⁵.

La crise du budget de photons

La même année, Julian Muñoz et ses coauteurs font le compte dans l'autre sens. Ils additionnent la production des galaxies que l'on a déjà observées directement, celles qui sont assez brillantes pour être vues au-dessus d'un certain seuil. Ces galaxies-là, écrivent-ils, « non seulement peuvent conduire la réionisation, mais l'achèveraient trop tôt » Munoz 2024²⁶. Or le fond diffus place le mi-parcours vers 670 millions d'années Planck 2018, et les quasars trouvent des îlots neutres jusqu'à 1,1 milliard Bosman 2022. Les galaxies vues fourniraient trop de photons, trop tôt, pour ce calendrier. Muñoz et ses coauteurs appellent ce désaccord une « crise du budget de photons » Munoz 2024.

Cette crise prolonge celle du chapitre précédent (→ chap. 10). Webb a trouvé des galaxies brillantes cent fois plus nombreuses que prévu à 280 millions d'années Naidu 2025, et Atek a trouvé des galaxies faibles qui produisent quatre fois plus de photons qu'on ne le pensait Atek 2024. Chacun de ces deux résultats augmente le budget. Additionnés, ils le font déborder. On se demandait autrefois d'où venaient assez de photons. On se demande maintenant où sont passés ceux qui sont en trop.

L'erreur est quelque part, dans la théorie ou dans les observations Munoz 2024. La fiche qui sert de base à ce chapitre désigne un suspect principal : la fraction de photons qui s'échappe Munoz 2024. Des trois facteurs du produit, c'est le seul qu'on ne voit pas directement à ces époques. On compte les galaxies, on mesure leur lumière ultraviolette et, comme Atek, les signes de leur production de photons ionisants. Les photons qui quittent la galaxie, eux, sont justement ceux qui ne nous parviennent pas : ils sont absorbés en chemin par le gaz intergalactique qu'ils ionisent²⁷. Si cette fraction était nettement plus faible que 5 % dans les galaxies de l'aube, le budget pourrait se refermer. Les sources de ce livre ne disent pas comment on la contraint, ni quelle valeur serait nécessaire. Muñoz et ses coauteurs discutent d'autres issues, dans les modèles comme dans les mesures, que la fiche ne détaille pas Munoz 2024.

Les trous noirs

Une troisième piste change de sources. Webb a découvert, dans le premier milliard d'années, de nombreux petits trous noirs en train d'accréter du gaz. En 2024, Piero Madau et ses coauteurs y voient une raison de réexaminer un scénario plus ancien, où les noyaux actifs de galaxies seraient « les seuls moteurs » de la réionisation de l'hydrogène et de l'hélium Madau 2024. Dans leur calcul, la réionisation de l'hydrogène atteint son mi-parcours à z ≈ 6,5 à 6,7, et elle est achevée à 99 % vers z ≈ 5,3 à 5,5 Madau 2024. Le mi-parcours tombe ainsi vers 800 à 850 millions d'années, plus tard que la valeur centrale de Planck²⁸. La fin, elle, s'accorde bien avec celle des quasars.

Ce scénario est minoritaire et discuté Madau 2024²⁹. Il se heurte à ce que montrent les galaxies elles-mêmes. Pour les deux galaxies les plus lointaines du relevé JADES, la lumière est dominée par les étoiles, pas par un trou noir Carniani 2024(→ chap. 10). Et pour que les trous noirs soient les seuls moteurs, il faudrait que les galaxies n'apportent presque rien. Leurs photons devraient donc rester piégés, ce qui suppose des fractions d'échappement bien plus faibles que les 5 % d'Atek³⁰. Le scénario a toutefois un mérite dans la crise du budget : il déplace la réionisation vers la fin, là où les quasars la voient. Et la première bulle observée, à 330 millions d'années, pourrait avoir été creusée par des étoiles ou par un noyau actif ; l'équipe de Witstok ne sait pas le dire Witstok 2025.

Ce qui fait consensus

Le consensus, prudent, attribue l'essentiel de la réionisation aux galaxies qui forment des étoiles, et surtout aux petites Atek 2024³¹. Deux quantités restent ouvertes : la part des trous noirs et la fraction de photons qui s'échappe. Le bilan n'est pas bouclé, et il échoue par excès, ce qui est plus instructif qu'un déficit. Une source manquante peut toujours avoir été oubliée. Un excès signifie qu'une des quantités mesurées, ou un des modèles qui les relient, est faux. Les mesures qui départageraient les hypothèses sont identifiables. Il faudrait contraindre directement la fraction d'échappement dans des galaxies comparables, recenser les noyaux actifs et mesurer leur contribution, et suivre la croissance des bulles dans le temps pour obtenir un calendrier indépendant de la forme supposée par Planck.

Ce qui tranchera, et ce qui commence

Le calendrier comme les sources attendent le même arbitre : le signal de l'hydrogène neutre à 21 cm. Le chapitre sur les âges sombres l'a présenté comme le seul témoin possible de la nuit (→ chap. 8). L'hydrogène neutre absorbe ou émet un rayonnement de 21 cm de longueur d'onde, que l'expansion étire en ondes radio Bowman 2018. Pour la réionisation, ce témoin est idéal, parce qu'il ne répond que du gaz neutre. Une bulle ionisée ne contient plus d'hydrogène neutre : elle n'émet ni n'absorbe à 21 cm, et une carte du signal la montrerait comme un trou. Chaque fréquence reçue correspond à une époque. Une série de cartes à des fréquences différentes serait donc un film des bulles qui naissent, grossissent et se rejoignent³². Ce film donnerait directement ce qui manque aujourd'hui : la forme de la transition, sans la supposer, et la taille des bulles, qui dépend de la nature des sources.

La fiche de base annonce cette voie en deux temps : une mesure globale du signal, moyennée sur le ciel, puis des cartes Bowman 2018³³. Le premier indice n'a pas tenu. En 2018, l'expérience EDGES annonçait un creux dans le spectre radio moyen du ciel, centré à 78 mégahertz. Elle le lisait comme la marque d'étoiles déjà présentes vers 180 millions d'années, mais avec une amplitude plus de deux fois supérieure aux plus grandes prédictions Bowman 2018. En 2022, le radiomètre SARAS 3 a conclu que ce profil « n'est pas d'origine astrophysique » et l'a rejeté avec 95,3 % de confiance Singh 2022(→ chap. 8). La radioastronomie à 21 cm reste attendue pour trancher, mais les sources de ce livre ne lui donnent aucune échéance. Aucune carte de la réionisation à 21 cm n'est documentée dans la base à la date où ce chapitre est écrit³⁴.

Pendant que la réionisation s'achève, autre chose commence. Grâce à l'âge de 250 000 étoiles sous-géantes datées avec précision, Maosheng Xiang et Hans-Walter Rix ont montré en 2022 que la formation du disque ancien de la Voie lactée, dit « disque épais », a commencé il y a 13 milliards d'années, « seulement 0,8 milliard d'années après le Big Bang », et deux milliards d'années avant l'assemblage final de son halo interne Xiang 2022. Sur l'année cosmique, c'est le 21 janvier environ⁴. La date précède la fin de la réionisation que lisent les quasars, à 1,1 milliard d'années Bosman 2022. Notre Galaxie a commencé à se construire dans un Univers où subsistaient encore des îlots de gaz neutre. Les sources de ce livre ne disent pas si la région où elle naissait était déjà ionisée³⁵.

Cette partie du livre se referme là. Après la première lumière, l'Univers était transparent et obscur (→ chap. 8). Des étoiles que personne n'a vues l'ont allumé (→ chap. 9). Des galaxies plus nombreuses et plus brillantes que prévu l'ont éclairé (→ chap. 10). Leur lumière a lentement ionisé le gaz entre elles, jusqu'à rendre l'Univers transparent à l'ultraviolet, un peu après son premier milliard d'années. La chronologie de cet allumage est celle qui a le plus bougé depuis dix ans, et elle bougera encore.

La suite change d'échelle. Les étoiles qui ont ionisé l'Univers ont aussi fabriqué, dans leur cœur et dans leur mort, les éléments qui manquaient au gaz primordial : l'oxygène déjà présent dans JADES-GS-z14-0 à 300 millions d'années en est la trace la plus ancienne (→ chap. 10). La partie suivante resserre la focale sur cette fabrication, puis sur une galaxie particulière, la nôtre, et sur la matière recyclée dont est fait le Soleil (→ chap. 12)(→ chap. 14)(→ chap. 15).

Ce qu'on ne sait pas

On ne sait pas quand la réionisation a commencé à l'échelle de l'Univers. Le seul repère précoce est une galaxie, à 330 millions d'années, qui a creusé sa bulle Witstok 2025. Il fixe une date au plus tard pour le début quelque part, pas une fraction ionisée. Deux voies pourraient faire mieux : d'autres raies Lyman-α à des décalages vers le rouge comparables ou plus grands, et, à terme, les cartes à 21 cm. Le degré de confiance est faible sur la date du début, élevé sur le fait que le processus était engagé avant 350 millions d'années.

On sait mesurer le total des diffusions, pas la forme de la transition. τ = 0,054 ± 0,007 est une mesure. Le mi-parcours z = 7,68 ± 0,79, vers 670 millions d'années, dépend d'une bascule en S supposée Planck 2018. Un calendrier étalé, commencé tôt et achevé tard, comme le suggèrent ensemble la bulle de 330 millions d'années et les quasars de 1,1 milliard, peut donner le même total qu'un calendrier concentré. Deux choses départageraient ces calendriers : une mesure de τ plus précise, dont l'instrument n'est pas documenté dans la base, et surtout la mesure directe de la fraction de gaz neutre à plusieurs époques. Les décalages de conversion entre 670 et 690 millions d'années, eux, ne sont pas une incertitude : ils tiennent dans la marge pdg2019-astro.

On ne sait pas si la fin a fini de reculer. Elle est passée de 500 millions à 900 millions puis à 1,1 milliard d'années wiki-chronoesa2015reionBosman 2022, et Bosman et ses coauteurs écrivent « au moins jusqu'à z = 5,3 ». Seuls davantage de spectres de quasars, plus proches de nous dans le temps, pourraient montrer où s'arrêtent les dernières fluctuations. La base ne dit pas si de telles données existent après 2022.

On ne sait pas qui a fourni l'essentiel des photons, dans des proportions chiffrées. Le consensus désigne les petites galaxies à formation d'étoiles Atek 2024. Mais les galaxies déjà observées, additionnées, réioniseraient l'Univers trop tôt Munoz 2024, et un scénario minoritaire confie tout aux trous noirs Madau 2024. Ce qui oppose les hypothèses se ramène à deux nombres : la fraction de photons qui s'échappe des galaxies, et la production des noyaux actifs. Les sources de ce livre ne disent pas comment le premier se mesure à ces époques. La crise est sérieuse : elle vient de mesures indépendantes qui vont toutes dans le même sens. Sa résolution n'est pas en vue dans la base.

On ne sait pas à quoi ressemblaient les bulles : leur taille, leur nombre, le moment où elles se sont rejointes. L'image des bulles qui grossissent et se rejoignent est établie dans son principe wiki-chrono. Sa géométrie n'a jamais été observée. C'est ce que les cartes à 21 cm verraient, et leur calendrier n'est pas documenté Singh 2022.

Ce que ce chapitre démontre

La réionisation est un retour. L'hydrogène de l'Univers était ionisé avant 380 000 ans, neutre ensuite. La lumière ultraviolette des premières galaxies l'ionise de nouveau wiki-recombwiki-chrono. Un gaz neutre laisse passer le fond diffus mais absorbe l'ultraviolet ionisant ; en réionisant le gaz intergalactique, les sources rendent l'Univers de nouveau transparent à l'ultraviolet, entre environ 0,3 et environ 1,1 milliard d'années après le début esa2015reionBosman 2022. Le rallumage n'est pas l'allumage des étoiles. C'est la transformation, par leur lumière, du gaz qui les sépare.

Le début se voit au cas par cas. À z = 13,0, 330 millions d'années après le Big Bang, une galaxie montre une raie Lyman-α intense, que le gaz neutre aurait dû éteindre. Des étoiles chaudes ou un noyau actif avaient donc déjà creusé une bulle ionisée autour d'elle Witstok 2025. C'est un cas isolé, qui ne mesure pas l'état global du gaz. La réionisation avance par bulles qui grossissent et se rejoignent.

Le milieu se lit dans le fond diffus. Les électrons libérés diffusent une petite part de sa lumière. La profondeur optique correspondante, τ = 0,054 ± 0,007, est l'un des six paramètres ajustés du modèle de base de Planck Planck 2018planck2018tab. Elle place le mi-parcours à z = 7,68 ± 0,79, vers 670 millions d'années, à condition de supposer une transition simple, en tanh Planck 2018. Cet âge est un décalage vers le rouge converti dans le modèle ΛCDM : pour l'ajustement Planck 2018, z = 7,7 correspond à environ 690 millions d'années pdg2019-astro, et l'écart entre les deux conversions tient dans la marge. En 2015, Planck situait déjà la fin des âges sombres vers 550 millions d'années, plus de 100 millions d'années plus tard qu'on ne le pensait, et une réionisation achevée vers 900 millions d'années esa2015reion.

La fin se lit dans les quasars. Les spectres de 67 quasars montrent des fluctuations liées à la réionisation dans le gaz intergalactique jusqu'à z = 5,3, soit environ 1,1 milliard d'années après le Big Bang Bosman 2022. Les synthèses plus anciennes donnaient une réionisation pour l'essentiel achevée vers 500 millions d'années wiki-chrono : la borne de fin a reculé d'environ six cents millions d'années.

La réionisation est un processus d'environ 700 millions d'années, inégal, par bulles. Ses bornes restent débattues, pas son ordre de grandeur. Elle n'a pas de date unique : elle dure, elle avance à des rythmes différents selon les lieux, et chaque repère est lu par un observable différent. On dit qu'elle s'étend entre quelques centaines de millions et un milliard d'années environ.

Les galaxies faibles du premier milliard d'années produisent quatre fois plus de photons ionisants qu'on ne le supposait ; même si 5 % seulement s'en échappent, cela dépasse le besoin de la réionisation Atek 2024. Additionnées, les galaxies déjà observées achèveraient la réionisation trop tôt par rapport au fond diffus et aux quasars. C'est la « crise du budget de photons », dont l'origine, dans les modèles ou dans les mesures, n'est pas identifiée Munoz 2024. Un scénario minoritaire fait des noyaux actifs les seuls moteurs de la réionisation, avec un mi-parcours à z ≈ 6,5–6,7 Madau 2024. Le consensus prudent attribue l'essentiel du travail aux galaxies à formation d'étoiles, surtout aux petites ; la part des trous noirs et la fraction de photons qui s'échappe restent ouvertes.

Le signal radio de l'aube annoncé par EDGES vers 180 millions d'années a été rejeté par SARAS 3 à 95,3 % de confiance Bowman 2018Singh 2022. La radioastronomie à 21 cm, qui verrait les bulles ionisées comme des trous dans le signal de l'hydrogène neutre, est attendue pour trancher. Pendant que la réionisation s'achève, la formation du disque ancien de la Voie lactée commence, il y a 13 milliards d'années, environ 0,8 milliard d'années après le Big Bang Xiang 2022.

Notes