Les âges sombres

~0,4 à ~100 Ma

Après la lumière, plus rien

Vers 380 000 ans, l'Univers s'est refroidi à environ 3 000 K, et les électrons ont fini par se lier aux noyaux wiki-chronowiki-cmb. Le chapitre sur la première lumière a raconté pourquoi il avait fallu attendre si longtemps : le milliard de photons par baryon défaisait chaque atome aussitôt formé, tant que la température n'était pas descendue vers 3 000 à 4 000 K (→ chap. 6)wiki-recomb. Ce moment correspond à un décalage vers le rouge z ≈ 1 100 wiki-recomb, c'est-à-dire que l'Univers était alors environ 1 100 fois moins étiré qu'aujourd'hui Hogg 1999.

La transition n'a rien d'un déclic. Planck place la surface de dernière diffusion, au-delà de laquelle un photon n'a plus en moyenne qu'une diffusion devant lui, à z* = 1 089,92 ± 0,25 planck2018tab. À ce moment, l'Univers n'est pas encore entièrement neutre : il ne l'est à 90 % que vers z ≈ 1 070 wiki-recomb. Entre les deux, il s'est encore étiré de près de 2 %, et la fin de la transition s'étire au-delà¹. Mais le résultat, une fois la transition faite, est simple à dire. Le plasma opaque où la lumière rebondissait sans cesse est devenu un gaz d'atomes neutres, que la lumière traverse sans être déviée.

Ce gaz a la composition que lui ont donnée les premières minutes : en masse, environ trois quarts d'hydrogène et un quart d'hélium, avec des traces de deutérium, d'hélium 3 et de lithium wiki-chrono(→ chap. 5). Il ne contient rien d'autre. Pas un atome de carbone, d'oxygène ou de fer : tous les éléments plus lourds viendront plus tard, des étoiles wiki-chronoKlessen 2023. À côté de ce gaz se trouve la matière noire, environ cinq fois et demie plus abondante que la matière ordinaire planck2018tab², qui ne se mêle au reste que par la gravité.

La seule lumière qui existe est celle qui vient d'être libérée, le fond diffus. Elle part en ligne droite et ne s'arrête plus. Mais l'espace qu'elle traverse continue de s'étirer, et sa longueur d'onde s'étire avec lui ; sa température baisse dans la même proportion que l'Univers grandit (→ chap. 6)³. À l'émission, ce rayonnement avait la température d'un filament d'ampoule, environ 3 000 K. Quand l'Univers s'est étiré de dix fois plus, vers z ≈ 100, il n'en fait plus qu'environ 275 K, à peu près la température d'un jour d'hiver sur Terre ; à z = 30, environ 84 K ; à z = 20, environ 57 K⁴. Aujourd'hui, après un étirement d'environ 1 100, il nous arrive à 2,72548 ± 0,00057 K Fixsen 2009planck2018tab. Pendant tout ce trajet, la lueur quitte le domaine visible pour l'infrarouge, puis pour les micro-ondes⁵. Un œil humain placé dans l'Univers de cette époque ne verrait bientôt plus rien.

C'est ce qui définit les âges sombres : après la recombinaison, l'Univers est rempli d'un gaz neutre d'hydrogène et d'hélium, et il n'y a aucune source de lumière, jusqu'à ce que se forme la première génération d'étoiles wiki-chrono. Le fond diffus n'est pas une source : il a été émis une fois, il ne fait que s'éloigner et se refroidir. Rien, dans ce gaz, ne produit de lumière nouvelle, parce que rien n'y est assez chaud ni assez dense pour cela. L'Univers d'avant était brillant et opaque ; celui-ci est transparent et obscur. La transparence, qui avait permis à la première lumière de partir, ne sert plus à rien, puisqu'il n'y a plus rien à voir.

La frise du livre date cette époque de ~0,4 à ~100 millions d'années, avec une mention qui dit tout : « établi (pas observé directement) » wiki-chrono⁶. Sur l'année cosmique, où toute l'histoire de l'Univers tient en douze mois, la première lumière est émise un quart d'heure après minuit le 1er janvier ; la nuit dure alors jusque vers le 3 janvier⁷. Deux jours et demi sur un an, une époque brève à l'échelle du livre, et c'est pourtant pendant cette nuit que se prépare tout ce qui brillera ensuite.

Ce qui travaille dans le noir

L'absence de lumière ne signifie pas l'immobilité. Depuis environ 47 000 ans, la densité d'énergie de la matière dépasse celle du rayonnement, et à partir de ce moment la gravité peut commencer à amplifier les petites inégalités de densité qui deviendront les galaxies wiki-chrono(→ chap. 6). Ces inégalités ont été laissées par l'inflation : des tremblements quantiques étirés aux dimensions du cosmos, ici un peu plus de matière, là un peu moins (→ chap. 3)esa2013planck. Le fond diffus en porte la trace, sous la forme de variations de température d'environ une part sur 25 000 d'une direction à l'autre wiki-cmb.

Le mécanisme qui les fait grandir s'appelle l'instabilité gravitationnelle. Une région un peu plus dense que la moyenne attire un peu plus fort la matière voisine ; cette matière y tombe ; la région devient plus dense encore, et attire plus fort. L'écart se creuse de lui-même. C'est le modèle de travail que la découverte des pics acoustiques du fond diffus a établi : un Univers fait surtout de matière noire et d'énergie noire, dont les structures sont nées par instabilité gravitationnelle à partir des fluctuations quantiques de l'inflation Hu 2002. La gravité qui comprime les surdensités est dominée par la matière noire, puisque celle-ci pèse plus de cinq fois plus que la matière ordinaire planck2018tab.

La recombinaison change une chose dans ce mécanisme, et cette chose explique pourquoi la nuit est aussi le moment où les structures démarrent vraiment. Avant elle, le chapitre sur la première lumière l'a montré, la matière ordinaire était liée aux photons par ses électrons libres, et la pression de la lumière la repoussait chaque fois que la gravité la comprimait : elle oscillait au lieu de tomber (→ chap. 6). La matière noire, elle, ne sentait pas cette pression et continuait de creuser ses puits. Une fois les électrons attachés aux noyaux, la lumière n'a plus de prise sur le gaz. Privé de ce ressort, le gaz cesse d'osciller et tombe dans les puits que la matière noire a creusés pendant ce temps⁸. Les âges sombres sont l'époque où la matière ordinaire rattrape son retard.

Ce qui s'est passé à ce moment a laissé une trace qu'on observe aujourd'hui, et c'est l'un des rares témoignages directs de la nuit. Les ondes sonores figées au moment de la recombinaison n'ont pas seulement été photographiées par la lumière qui partait ; elles sont restées imprimées dans la répartition de la matière elle-même. En 2005, une équipe menée par Daniel Eisenstein détecte dans la répartition des galaxies un pic de corrélation, une distance privilégiée entre galaxies, à 100 h⁻¹ mégaparsecs, qui correspond « excellemment » à la forme et à la position prévues pour l'empreinte des oscillations acoustiques de l'époque de la recombinaison Eisenstein 2005. Avec la valeur de h tirée de Planck, cette distance vaut environ 148 mégaparsecs, à quelques pour cent de l'horizon sonore de 144 mégaparsecs calculé à partir du fond diffus planck2018tab⁹. La règle graduée que le chapitre sur l'âge a utilisée pour arpenter l'Univers (→ chap. 7) a donc traversé les âges sombres sans se perdre : ce que le gaz a fait dans le noir, les galaxies d'aujourd'hui le montrent encore.

Où mène cette croissance ? Au bout de la nuit, la matière noire s'est rassemblée en concentrations que les astronomes appellent des halos, et le gaz ordinaire tombé dans ces halos y forme un réservoir : la masse d'étoiles qu'une galaxie peut fabriquer est plafonnée par la quantité de gaz ordinaire disponible dans son halo de matière noire Boylankolchin 2023. C'est dans ces réservoirs, faits d'un gaz primordial sans métaux, que naissent les premières étoiles, dites de population III, à des décalages vers le rouge de 30 et moins Klessen 2023. Les astronomes appellent « métaux » tous les éléments plus lourds que l'hélium ; un gaz sans métaux est donc le gaz tel que les premières minutes l'ont laissé.

Entre ces deux bouts, le modèle affirme la croissance des surdensités sous l'effet de la gravité ; il ne dit pas, dans les sources de ce livre, comment elle se déroule en détail. Trois questions restent sans réponse documentée ici. La première porte sur le rythme : de combien une inégalité d'une part sur 25 000 dans la température de la lumière grandit-elle entre 380 000 ans et 100 millions d'années, et à quel moment les premières régions cessent-elles de s'étendre avec l'Univers pour s'effondrer sur elles-mêmes ? La deuxième porte sur la chaleur : un gaz qui s'effondre se comprime et s'échauffe, et pour aller jusqu'à la densité d'une étoile il doit se débarrasser de cette chaleur en rayonnant ; comment un gaz fait seulement d'hydrogène et d'hélium, sans les métaux qui refroidissent le gaz des galaxies actuelles, y parvient-il ? La troisième porte sur le seuil : à partir de quelle masse un halo retient-il assez de gaz, assez froid, pour former une étoile ? Les réponses conditionnent la date de l'allumage, et donc la fin de la nuit. Elles relèvent de fiches que la base n'a pas encore¹⁰.

Dater sans rien voir

Aucune date de cette époque n'a été lue sur une horloge, et aucune n'a été lue non plus sur un objet, puisqu'il n'y a pas d'objet à regarder. Ce que les astronomes manipulent, pour cette époque comme pour les suivantes, est un décalage vers le rouge z : 1 + z est le rapport entre la taille de l'Univers aujourd'hui et sa taille au moment considéré Hogg 1999. Dire que les premières étoiles s'allument « à z = 30 », c'est dire qu'elles s'allument quand l'Univers était 31 fois moins étiré qu'aujourd'hui. Pour en faire une date en années, il faut savoir quand l'Univers avait cette taille, donc connaître l'histoire de son expansion Hogg 1999. Le chapitre sur l'âge a démonté ce calcul : il passe par le modèle standard, et chaque date de la nuit et de l'aube est un z converti de cette manière (→ chap. 7).

Aux époques des âges sombres, cette conversion devient remarquablement simple. L'énergie noire, dont la densité ne change pas, ne pèse presque rien face à une matière encore très concentrée ; le rayonnement, qui s'affaiblit plus vite que la matière, ne pèse plus grand-chose non plus. L'expansion n'est plus gouvernée que par la matière, et l'âge suit une loi simple Planck 2018¹¹ :

t ≈ 17,2 milliards d'années × (1 + z)^(−3/2).

Ce n'est pas une formule lue dans une publication : c'est un calcul de la fiche qui sert de base à ce chapitre, fait avec les paramètres de Planck, H0 ≈ 67,4 km/s/Mpc et Ωm ≈ 0,315 Planck 2018. L'exposant −3/2 dit comment l'âge croît avec l'étirement : quand l'Univers est quatre fois moins étiré, il est huit fois plus jeune. Le préfacteur de 17,2 milliards d'années n'est pas un âge ; c'est la constante qu'imposent le taux d'expansion et la densité de matière¹².

Appliquée aux décalages qui comptent pour la nuit et l'aube, la règle donne ceci :

Les contrôles tombent à moins de 10 % près ; les petits écarts viennent des paramètres cosmologiques retenus par chaque équipe, l'équipe de Hashimoto utilisant un modèle légèrement différent¹³. La conversion z ≈ 30 → environ 100 millions d'années, que la frise signalait comme « non vérifiée », est donc confirmée par le calcul Klessen 2023⁶.

La règle a un domaine de validité, et ses bords sont instructifs. À la recombinaison, z ≈ 1 090, elle donnerait environ 480 000 ans, alors que le tableau du Particle Data Group, calculé avec les paramètres de Planck, donne 372 900 ans pdg2019-astro¹⁴. L'écart, d'environ 30 %, vient de ce que le rayonnement n'y est pas encore négligeable : l'égalité entre matière et rayonnement, à z ≈ 3 400, n'est pas si loin pdg2019-astro. La règle s'applique donc bien au cœur de la nuit et à l'aube, et mal à son tout début. Vers la fin de la réionisation, elle commence aussi à s'écarter du calcul complet, parce que l'énergie noire se fait sentir : à z = 7,7, elle donne environ 670 millions d'années, le Particle Data Group 690 pdg2019-astro¹⁵.

Cette simplicité a une conséquence qui touche la solidité même des dates. Le préfacteur de 17,2 milliards d'années ne dépend, en réalité, que d'une seule combinaison de paramètres : la densité absolue de matière, que les cosmologistes notent Ωm h² et que Planck mesure presque directement, par la forme des pics du fond diffus planck2018tab¹². Le chapitre sur l'âge a distingué trois étages dans le calcul de Planck : ce qu'on mesure, ce qu'on calcule avec la physique d'avant la recombinaison, ce qu'on déduit en supposant le modèle (→ chap. 7). Les dates des âges sombres, exprimées en temps « après le Big Bang », s'appuient surtout sur le premier étage. Si la tension sur le taux d'expansion actuel se résolvait par une valeur plus élevée de H0, l'âge de l'Univers baisserait, mais les 100 millions d'années de z = 30 bougeraient beaucoup moins, tant que la densité absolue de matière reste celle que mesure la carte¹⁶. La conversion suppose seulement qu'à ces époques rien d'autre que la matière ne gouverne l'expansion, ce qui est une hypothèse du modèle et non une observation.

Le point le plus important de cette section est ailleurs. La conversion de z en âge est solide ; ce qui ne l'est pas, pour les âges sombres, c'est le z lui-même. Les deux bornes de la frise, ~0,4 et ~100 millions d'années, n'ont pas le même statut. La première est ancrée sur un objet observé : la surface de dernière diffusion, dont Planck mesure le décalage vers le rouge au quart d'unité près planck2018tab. La seconde est ancrée sur une prédiction : les premières étoiles se forment, selon la revue de référence de Ralf Klessen et Simon Glover, « à des décalages vers le rouge de 30 et moins » Klessen 2023. Personne n'a vu d'étoile à z = 30. La fin de la nuit est un z théorique, converti par une règle solide. La précision de la conversion ne transfère aucune précision à l'événement : on sait très bien quel âge avait l'Univers à z = 30 ; on ne sait pas si les premières étoiles s'y trouvaient.

La mention de la frise, « établi (pas observé directement) », prend alors son sens précis. Que l'Univers ait traversé une époque neutre et sans étoile entre la recombinaison et les premières étoiles est établi : c'est une conséquence du modèle qui décrit le fond diffus, et rien ne permet d'imaginer une source de lumière dans un gaz primordial qui n'a pas encore eu le temps de s'effondrer. Que cette époque ait duré à peu près cent millions d'années est une estimation, qui dépend de la date d'un événement que personne n'a observé. C'est la leçon du chapitre sur l'âge appliquée à la nuit : un chiffre peut être calculé avec soin et rester, pour ce qu'il désigne, une hypothèse.

Le seul témoin : l'hydrogène à 21 cm

Dans un Univers sans source de lumière, un seul acteur pourrait se signaler lui-même : le gaz d'hydrogène neutre, qui remplit tout. L'hydrogène neutre absorbe ou émet un rayonnement d'une longueur d'onde de 21 cm Bowman 2018¹⁷. Au repos, une telle onde a une fréquence d'environ 1,4 gigahertz¹⁸. Mais un signal émis ou absorbé pendant les âges sombres a été étiré, comme toute lumière, d'un facteur 1 + z en chemin. Venue de z = 20, la raie arrive à environ 68 mégahertz ; de z = 30, à environ 46 mégahertz¹⁸. La raie à 21 cm de la nuit cosmique devient ainsi une onde radio de quelques dizaines de mégahertz.

Ce témoin a deux vertus. La première est qu'il ne demande pas d'étoile : c'est l'hydrogène des âges sombres lui-même qui laisse sa marque, ce qui en fait en principe le seul moyen d'observer la nuit autrement que par le calcul. La seconde est que chaque fréquence reçue correspond à un décalage vers le rouge, donc à une époque : en balayant les fréquences, on balaie le temps. Un spectre radio de 50 à 100 mégahertz est, en principe, un film de l'aube. Ce que le signal devrait montrer à chaque époque, et pourquoi il apparaît tantôt en absorption, tantôt en émission, dépend de l'état du gaz, que les sources de ce livre ne détaillent pas ; elles retiennent une prédiction, sur laquelle tout repose. Quand les premières étoiles s'allument, elles baignent le gaz de lumière ultraviolette, en particulier de photons dits Lyman-α, et ce bain modifie la manière dont l'hydrogène absorbe à 21 cm : l'allumage doit se lire comme un creux dans le spectre Bowman 2018.

En 2018, l'expérience EDGES annonce ce creux. L'équipe de Judd Bowman, avec une antenne installée en Australie-Occidentale, publie dans Nature un « profil d'absorption centré à 78 mégahertz dans le spectre moyenné sur le ciel » Bowman 2018¹⁹. Ce spectre n'est pas une image. L'antenne ne vise pas un objet : elle reçoit la somme de tout ce qui arrive de sa portion de ciel, et l'on cherche dans cette somme un creux commun à toutes les directions, produit par tout l'hydrogène du cosmos à la même époque. Selon les auteurs, le bord basse fréquence du profil indique que des étoiles existaient et avaient produit un fond de photons Lyman-α « 180 millions d'années après le Big Bang » Bowman 2018. Le centre du creux, à 78 mégahertz, correspond à z ≈ 17, soit environ 220 millions d'années ; son bord, du côté des basses fréquences, à z ≈ 20 et 180 millions d'années²⁰. Si le résultat tenait, ce serait la première observation de l'aube cosmique, et la fin des âges sombres serait datée par une mesure plutôt que par une théorie.

Le résultat portait en lui-même son premier problème. L'amplitude du creux, sa profondeur, est « plus de deux fois supérieure aux plus grandes prédictions » Bowman 2018. Un tel écart laisse deux lectures. Dans la première, le signal est réel, et il faut ajouter à la physique des âges sombres quelque chose que le modèle standard n'y met pas ; les propositions faites en ce sens ne sont pas documentées dans les sources de ce livre. Dans la seconde, le creux ne vient pas du ciel mais de l'instrument ou de son traitement. La mesure est de celles qui laissent le plus de place à la seconde lecture. Le livre a déjà raconté une histoire d'antenne : en 1964-1965, Penzias et Wilson avaient trouvé le fond diffus comme un excès de bruit qui résistait à toutes les explications locales (→ chap. 6)Penzias 1965. EDGES cherche l'inverse, un léger déficit dans le bruit d'une antenne, à des fréquences où le ciel émet bien davantage par ailleurs²¹. Pour trancher entre les deux lectures, il faut une seconde antenne, conçue autrement, qui regarde le même ciel.

Elle vient en 2022. Le radiomètre SARAS 3, d'une équipe menée depuis l'Inde par Saurabh Singh, observe dans la même bande de fréquences et conclut que le profil trouvé par EDGES « n'est pas d'origine astrophysique » ; le profil le mieux ajusté par EDGES est rejeté avec 95,3 % de confiance Singh 2022²². Il faut lire ce chiffre pour ce qu'il est. 95,3 % de confiance correspond à un peu moins de deux écarts-types, bien en deçà des cinq écarts-types qu'on exige en physique pour annoncer une découverte²³. SARAS 3 ne démontre donc pas au seuil habituel que le creux d'EDGES est un artefact ; il montre qu'un instrument indépendant ne le retrouve pas, avec une confiance suffisante pour que le résultat de 2018 ne puisse plus servir de date.

L'état de la question se résume ainsi. Une aube vers 180 millions d'années reste plausible, et elle est compatible avec la prédiction théorique, qui fait naître les premières étoiles à z ≤ 30 et les fait dominer la formation d'étoiles jusqu'à z ≈ 15 à 20, soit entre environ 180 et 270 millions d'années Klessen 2023. Mais elle n'a pas été mesurée. Ce qui la départagerait est connu : des mesures globales indépendantes, par des instruments aux défauts différents, qui retrouvent ou non un creux, et à quelle profondeur ; puis, à plus long terme, des cartes du signal à 21 cm, qui montreraient non plus une moyenne sur le ciel mais la répartition du gaz et des premières bulles de lumière²⁴. Tant que ces mesures n'existent pas, le seul témoin de la nuit est un témoin dont on n'a qu'une déposition, contestée.

Où finit la nuit ?

La fin des âges sombres dépend de ce qu'on appelle la fin. Deux définitions coexistent dans les sources, et elles ne désignent pas le même événement.

La première fixe la fin de la nuit à l'allumage des premières étoiles. C'est celle de la frise du livre, qui arrête les âges sombres vers 100 millions d'années wiki-chrono, et c'est la plus naturelle : la nuit finit quand quelque chose brille. Selon Klessen et Glover, les étoiles de population III se forment à z ≤ 30, soit à partir d'environ 100 millions d'années Klessen 2023. Cette date est une hypothèse : aucune étoile de population III n'a été observée directement Klessen 2023, et le signal radio qui aurait pu dater leur allumage est contesté Singh 2022.

Cette première fin est tout de même encadrée par l'autre côté, celui des objets que l'on voit. Le télescope spatial James Webb a confirmé par spectroscopie la galaxie MoM-z14 à z = 14,44, vue 280 millions d'années après le Big Bang Naidu 2025. Une autre galaxie de la même époque, JADES-GS-z14-0, contient déjà de l'oxygène, à hauteur de 5 à 20 % de la teneur du Soleil, « à peine 300 millions d'années après le Big Bang » Schouws 2025. Or l'oxygène n'existait pas à la sortie de la nuit : il est forgé dans les étoiles et dispersé par leur mort Klessen 2023. Une galaxie qui en contient à 300 millions d'années suppose donc au moins une génération d'étoiles déjà nées, déjà mortes, avant elle. Dès 2018, avant Webb, les étoiles d'une galaxie à z = 9,1 étaient datées d'une formation vers 250 millions d'années Hashimoto 2018. Ces observations ne voient pas la fin de la nuit ; elles la bornent. Les premières étoiles se sont allumées, au plus tard, quelque part avant 250 millions d'années. Ce que ces galaxies disent de la rapidité de l'aube est la matière du chapitre 10.

La seconde définition fixe la fin de la nuit à la réionisation. Quand les premières sources brillent, leur lumière ultraviolette arrache à nouveau les électrons de l'hydrogène intergalactique wiki-chrono. Le gaz neutre de la nuit redevient, par bulles qui grossissent autour des sources et finissent par se rejoindre, un gaz ionisé ; la frise appelle ce basculement « la fin des âges sombres » wiki-chronoesa2015reion. Cette définition a un avantage sur la première : elle se mesure.

Elle se mesure dans le fond diffus lui-même, et le mécanisme est celui qui avait rendu l'Univers opaque avant 380 000 ans. Des électrons libres diffusent la lumière. Quand la réionisation les libère, une petite fraction des photons du fond diffus, qui voyageaient en ligne droite depuis la recombinaison, est à nouveau diffusée en chemin. La grandeur qui compte ces diffusions est la même que celle qui définit la surface de dernière diffusion : la profondeur optique, notée τ (→ chap. 6). Planck mesure τ = 0,054 ± 0,007 Planck 2018. Autrement dit, environ 5 % des photons du fond diffus ont été diffusés une seconde fois après la nuit²⁵. C'est l'un des six paramètres du modèle de base planck2018tab : la carte de la première lumière garde aussi la trace de la fin de la nuit.

Ce chiffre n'est pas encore une date. τ compte le total des diffusions subies en chemin ; il dit combien d'électrons libres la lumière a rencontrés, pas quand. Une réionisation précoce et lente peut donner le même total qu'une réionisation tardive et rapide. Pour en tirer une date, Planck suppose une forme simple pour la transition, une bascule régulière de l'état neutre à l'état ionisé autour d'un décalage vers le rouge central, et ajuste ce décalage : le mi-parcours de la réionisation tombe alors à z = 7,68 ± 0,79 Planck 2018. Planck précise lui-même que ce mi-parcours « suppose un modèle tanh simple » Planck 2018²⁶. Converti par la règle de la section précédente, z = 7,68 donne environ 670 millions d'années, et la marge en z correspond à une fourchette d'environ 590 à 780 millions d'années Planck 2018²⁷. Le tableau du Particle Data Group donne 690 millions d'années pour la même époque pdg2019-astro.

Cette date a bougé, et c'est par elle que la chronologie de la nuit s'est allongée. 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 », avec une réionisation achevée vers 900 millions d'années esa2015reion. L'extrait dont dispose ce livre ne dit ni quelle grandeur était retenue comme « fin », ni sur quelle mesure antérieure reposait l'estimation plus précoce²⁸. Depuis, la fin de la réionisation a elle-même reculé : les spectres de 67 quasars lointains montrent des fluctuations liées à la réionisation jusqu'à z = 5,3, soit environ 1,1 milliard d'années Bosman 2022. Ces fluctuations sont les dernières poches de gaz neutre, que la lumière des sources n'a pas encore atteintes.

Les deux définitions donnent donc des âges sombres de durées très différentes. Avec la première, la nuit dure environ cent millions d'années et s'achève dans une hypothèse. Avec la seconde, elle dure un demi-milliard d'années et s'achève dans une mesure, qui dépend elle-même d'un modèle de transition. L'intervalle qui les sépare, de l'ordre de cent millions à plus d'un demi-milliard d'années, n'est pas une incertitude à réduire : c'est l'aube elle-même, la période pendant laquelle des sources déjà allumées n'ont pas encore rendu le gaz transparent à l'ultraviolet. Les chapitres qui suivent la racontent (→ chap. 9)(→ chap. 11).

La question de la partie, pourquoi la chronologie de cet allumage change sans cesse, reçoit ici une première réponse. Chacune des bornes repose sur un observable différent. La fin selon la première définition repose sur une théorie de la formation des étoiles, contrainte par le bas par le signal radio, contesté, et par le haut par les galaxies que Webb découvre à des décalages toujours plus grands. La fin selon la seconde repose sur τ, un total converti en date par un modèle de transition, et sur les quasars. Quand un de ces observables change, la frise change. Les conversions, elles, ne bougent presque pas ; ce qui bouge, ce sont les z auxquels on attache les événements.

La nuit s'achève donc sur des étoiles que la logique impose et que personne n'a vues. Il fallait bien que les premières étoiles se forment dans un gaz sans métaux, puisque c'était le seul gaz disponible ; il fallait bien qu'elles précèdent les galaxies déjà riches en oxygène que Webb voit à 300 millions d'années. Leur existence est une nécessité, leurs propriétés une théorie Klessen 2023. C'est par elles que commence (→ chap. 9).

Ce qu'on ne sait pas

On ne sait pas quand les premières étoiles se sont allumées. La prédiction théorique, z ≤ 30, soit à partir d'environ 100 millions d'années Klessen 2023, est encadrée par le haut par les galaxies de Webb, qui imposent des étoiles avant 250 à 300 millions d'années Hashimoto 2018Schouws 2025, et n'est encadrée par le bas par aucune mesure. L'annonce d'EDGES, qui aurait daté l'allumage vers 180 millions d'années Bowman 2018, est contredite par SARAS 3 à 95,3 % de confiance Singh 2022. Ni l'une ni l'autre des deux expériences n'atteint le seuil d'une découverte, dans un sens ou dans l'autre. Ce qui trancherait : d'autres mesures globales du spectre radio, par des instruments de conception différente, et à plus long terme des cartes du signal à 21 cm. La base de ce livre ne documente pas l'état de ces instruments après 2022 ; la question est ouverte à la date où ce chapitre est écrit, et un résultat nouveau pourrait déplacer la fin de la nuit de plusieurs dizaines de millions d'années.

On ne sait pas, dans les sources de ce livre, pourquoi le creux d'EDGES serait deux fois trop profond s'il était réel. L'écart aux prédictions Bowman 2018 est un fait ; les explications proposées, physiques ou instrumentales, ne sont pas documentées. C'est une lacune de la base, pas du savoir, et elle empêche de dire ce qu'une confirmation d'EDGES changerait au modèle des âges sombres.

On ne sait pas, ici, comment le gaz passe du réservoir d'un halo à une étoile. La croissance des surdensités par instabilité gravitationnelle est établie dans son principe Hu 2002 ; le rythme de cette croissance, la manière dont un gaz sans métaux perd sa chaleur, et la masse minimale d'un halo capable de former une étoile ne sont pas documentés dans la base. Ce ne sont pas des détails : ce sont ces paramètres qui fixent la valeur z ≈ 30 que la frise prend comme fin de la nuit. La revue de Klessen et Glover les traite certainement Klessen 2023, mais les fiches n'en ont retenu que les conclusions.

On sait dater le mi-parcours de la réionisation dans un modèle, pas en dehors. Le chiffre τ = 0,054 ± 0,007 est une mesure ; le mi-parcours z = 7,68 ± 0,79 suppose une transition de forme simple Planck 2018. Une réionisation plus étalée, commencée tôt par les premières étoiles et achevée tard, comme le suggèrent les quasars jusqu'à 1,1 milliard d'années Bosman 2022, donnerait le même τ avec un autre calendrier. Le bilan n'est d'ailleurs pas bouclé : additionnées, les galaxies déjà observées par Webb réioniseraient l'Univers trop tôt pour s'accorder avec le fond diffus et les quasars, ce que ses auteurs appellent une « crise du budget de photons » Munoz 2024. Ce qui départagerait les calendriers possibles : une mesure de τ plus précise, des mesures de l'état du gaz à plusieurs époques, et, de nouveau, les cartes à 21 cm, qui verraient les bulles ionisées grandir. La discussion appartient au chapitre 11.

On sait enfin que la conversion des z en âges tient, mais sous une condition. Elle suppose qu'aux époques de la nuit l'expansion n'était gouvernée que par la matière, dont Planck mesure la densité absolue planck2018tab. Les solutions à la tension sur le taux d'expansion actuel qui modifient la physique d'avant la recombinaison Knox 2020 toucheraient la lecture de la carte, et par elle, légèrement, cette densité ; les sources de ce livre ne chiffrent pas l'effet qu'elles auraient sur les dates des âges sombres. L'ordre de grandeur, comme le montre la section sur la datation, est bien moindre que l'effet sur l'âge actuel de l'Univers.

Ce que ce chapitre démontre

Après la recombinaison, vers 380 000 ans et 3 000 K, à z ≈ 1 100, l'Univers devient un gaz neutre d'hydrogène et d'hélium, transparent et sans aucune source de lumière wiki-chronowiki-recombwiki-cmb. La transition est graduelle : Planck place la surface de dernière diffusion à z* = 1 089,92 ± 0,25, et l'Univers n'est neutre à 90 % que vers z ≈ 1 070 planck2018tabwiki-recomb. La seule lumière présente est le fond diffus, qui s'éloigne en se refroidissant ; étiré d'un facteur d'environ 1 100, il nous arrive aujourd'hui à 2,7 K Fixsen 2009. C'est ce qui définit les âges sombres, datés par la frise de ~0,4 à ~100 millions d'années, « établi (pas observé directement) » wiki-chrono.

L'époque n'est pas immobile. Depuis 47 000 ans, la matière domine l'énergie de l'Univers, et la gravité, dominée par la matière noire, amplifie les inégalités de densité laissées par l'inflation ; les structures naissent par instabilité gravitationnelle wiki-chronoHu 2002. Libérée de la pression de la lumière, la matière ordinaire tombe dans les puits de la matière noire. L'empreinte des ondes sonores figées à la recombinaison traverse la nuit et se retrouve dans la répartition des galaxies, à une distance privilégiée d'environ 100 h⁻¹ mégaparsecs Eisenstein 2005. Au bout de la croissance, les halos de matière noire retiennent le gaz sans métaux où naissent les premières étoiles, à z ≤ 30 Boylankolchin 2023Klessen 2023.

Les dates de cette époque sont des décalages vers le rouge convertis dans le modèle standard. À ces époques, où seule la matière gouverne l'expansion, l'âge suit t ≈ 17,2 milliards d'années × (1 + z)^(−3/2), calculé avec H0 ≈ 67,4 km/s/Mpc et Ωm ≈ 0,315 Planck 2018 : z = 30 correspond à environ 100 millions d'années, z = 20 à 180 millions, z = 15 à 270 millions, et cette règle retrouve à moins de 10 % les couples publiés Bowman 2018Hashimoto 2018Naidu 2025Witstok 2025. La conversion est solide ; l'incertitude porte sur les z des événements. La borne de 0,4 million d'années est attachée à un objet observé, la surface de dernière diffusion ; la borne de 100 millions d'années est attachée à une prédiction.

Le seul témoin possible de la nuit est l'hydrogène neutre, qui absorbe ou émet à 21 cm, une raie que l'expansion transforme en ondes radio de quelques dizaines de mégahertz. En 2018, EDGES annonce un creux à 78 MHz, signe d'étoiles dès 180 millions d'années, mais d'une amplitude plus de deux fois supérieure aux plus grandes prédictions Bowman 2018 ; en 2022, SARAS 3 conclut que ce profil n'est pas d'origine astrophysique et le rejette à 95,3 % de confiance Singh 2022. L'aube vers 180 millions d'années reste plausible ; elle n'est pas mesurée.

La fin de la nuit dépend de sa définition. Fixée à l'allumage des premières étoiles, elle tombe vers 100 millions d'années et reste une hypothèse, bornée seulement par les galaxies déjà enrichies en oxygène que Webb voit vers 300 millions d'années Klessen 2023Schouws 2025. Fixée à la réionisation, elle se lit dans le fond diffus : τ = 0,054 ± 0,007 place le mi-parcours à z = 7,68 ± 0,79, soit vers 670 millions d'années, dans un modèle de transition simple Planck 2018 ; Planck annonçait en 2015 une fin des âges sombres vers 550 millions d'années, plus de 100 millions d'années plus tard qu'on ne le pensait esa2015reion. L'écart entre les deux définitions est l'aube elle-même. La nuit se termine sur des étoiles que la logique impose et que personne n'a vues.

Notes