Les âges sombres

~0,4 à ~100 Ma

Ouverture

Un gaz d'atomes remplit tout. Trois quarts d'hydrogène, un quart d'hélium, des traces de deutérium, d'hélium 3 et de lithium ; et rien d'autre — pas un atome de carbone, pas un d'oxygène, pas un de fer. Il est le même ici et là, à une part infime près : un peu plus serré ici, un peu moins là. Il est chaud comme le filament d'une ampoule, et la lumière qui vient de le quitter le traverse en ligne droite, de partout vers partout, sans qu'un seul atome la dévie. Elle est encore la lueur d'un filament ; déjà elle tire au rouge.

L'espace s'étire, et cette lumière avec lui. Son rouge s'assombrit, descend sous le rouge, dans l'infrarouge, puis plus bas encore. Quand l'Univers a dix fois grandi, le rayonnement n'a plus que la chaleur d'un jour d'hiver sur Terre ; il tiédit encore, et rien ne vient le remplacer. Dans le gaz, aucun endroit n'est assez chaud, aucun assez dense, pour faire une lumière nouvelle. Il baigne dans une lueur de plus en plus froide, qui le traverse et n'éclaire rien.

Sous ce gaz, la matière noire, cinq fois et demie plus lourde, creuse depuis longtemps ses puits. Le gaz, que la lumière repoussait chaque fois qu'il y tombait, n'a plus de ressort : il glisse, lentement, vers les endroits où il y a déjà un peu plus de lui. Des dizaines de millions d'années passent ainsi, sans qu'une lumière change autrement qu'en se refroidissant. Et de loin en loin, dans le noir, un atome d'hydrogène émet ou avale une onde longue comme une main ouverte.

Transparent et obscur

L'hydrogène neutre qui remplit tout n'est pas seul, et il n'est pas neuf : le gaz est fait de ce que les premières minutes ont laissé. En masse, trois quarts d'hydrogène, un quart d'hélium ; des traces de deutérium, d'hélium 3 et de lithium ; la liste s'arrête là. Pas un atome de carbone, d'oxygène ou de fer : tous les éléments plus lourds viendront plus tard, des étoiles. À côté de ce gaz se tient la matière noire, environ cinq fois et demie plus abondante que la matière ordinaire, qui ne se mêle au reste que par la gravité.

Ce gaz est neutre depuis peu. Vers 380 000 ans et 3 000 K, à un décalage vers le rouge z ≈ 1 100 — l'Univers environ 1 100 fois moins étiré qu'aujourd'hui —, les électrons ont fini par se lier aux noyaux, et rien n'a claqué : 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, après s'être encore étiré de près de 2 %. Une fois la transition faite, le résultat tient en une phrase : le plasma opaque où la lumière rebondissait sans cesse est devenu un gaz d'atomes que la lumière traverse sans être déviée.

La seule lumière qui existe est celle qui vient d'être libérée, le fond diffus, et elle part en ligne droite dans un espace qui continue de s'étirer ; sa longueur d'onde s'allonge avec lui, et sa température baisse dans la proportion même où l'Univers grandit. À l'émission, la température d'un filament d'ampoule, environ 3 000 K. Quand l'Univers s'est étiré de dix fois plus, vers z ≈ 100, environ 275 K, un jour d'hiver sur Terre. À z = 30, environ 84 K ; à z = 20, environ 57. Aujourd'hui, après un étirement d'environ 1 100, 2,72548 ± 0,00057 K. Pendant tout ce trajet, la lueur quitte le visible pour l'infrarouge, puis pour les micro-ondes, et un œil humain placé dans l'Univers de cette époque ne verrait bientôt plus rien.

C'est cela, les âges sombres : après la recombinaison, l'Univers est rempli d'un gaz neutre d'hydrogène et d'hélium, et aucune source de lumière n'existe jusqu'à ce que se forme la première génération d'étoiles. Le fond diffus n'est pas une source ; il a été émis une fois, et 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 — un espace où tout rayon va droit, et d'où aucun rayon ne part.

La frise du livre date cette époque de ~0,4 à ~100 millions d'années. Sur l'année cosmique, où toute l'histoire tient en douze mois, la nuit court du premier quart d'heure du 1er janvier jusque vers le milieu du 3 — deux jours et demi sur un an —, et la frise l'accompagne d'une mention entre parenthèses : « établi (pas observé directement) ».

Ce qui travaille dans le noir

Depuis environ 47 000 ans, bien avant que la lumière ne parte, la densité d'énergie de la matière dépasse celle du rayonnement, et depuis ce moment la gravité peut amplifier les petites inégalités de densité qui deviendront les galaxies. Ces inégalités, l'inflation les a laissées : des tremblements quantiques étirés aux dimensions du cosmos, ici un peu plus de matière, là un peu moins. Le fond diffus en porte la trace, des variations de température d'environ une part sur 25 000 d'une direction à l'autre.

Le mécanisme s'appelle l'instabilité gravitationnelle, et il tient en une suite d'actions. Une région un peu plus dense que la moyenne tire à elle la matière voisine. Cette matière tombe. Ce qui est tombé pèse à son tour, et tire davantage. L'écart grandit de lui-même. C'est le modèle de travail que la découverte des pics acoustiques a établi — Wayne Hu et Scott Dodelson l'écrivent en 2002 : un Univers fait surtout de matière noire et d'énergie noire, dont les structures naissent par instabilité gravitationnelle à partir des fluctuations quantiques de l'inflation. La gravité qui comprime les surdensités est dominée par la matière noire, qui pèse plus de cinq fois plus que la matière ordinaire.

La recombinaison change une chose dans ce mécanisme. Avant elle, la matière ordinaire, liée aux photons par ses électrons libres, était repoussée par la pression de la lumière chaque fois que la gravité la comprimait : elle oscillait au lieu de tomber. La matière noire, qui ne sentait pas cette pression, continuait de creuser ses puits. Une fois les électrons attachés aux noyaux, la lumière n'a plus de prise sur le gaz ; il cesse d'osciller et tombe dans les puits creusés pendant ce temps. Les âges sombres sont l'époque où la matière ordinaire rattrape son retard.

Ce qui s'est passé alors a laissé une trace qu'on observe aujourd'hui, l'une des rares traces directes de la nuit. Les ondes sonores figées à la recombinaison ne sont pas restées seulement dans 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 une distance privilégiée, à 100 h⁻¹ mégaparsecs, qui correspond « excellemment » à l'empreinte prévue des oscillations acoustiques. Avec le h 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. La règle graduée du chapitre précédent a traversé les âges sombres sans se perdre : ce que le gaz a fait dans le noir, les galaxies d'aujourd'hui le montrent encore.

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. 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, selon la revue de Ralf Klessen et Simon Glover en 2023. Les astronomes appellent « métaux » tout ce qui est plus lourd que l'hélium : un gaz sans métaux est le gaz tel que les premières minutes l'ont laissé.

Entre ces deux bouts, le modèle affirme la croissance des surdensités, et ne dit pas, dans les sources de ce livre, comment elle se déroule. De combien une inégalité d'une part sur 25 000 grandit-elle entre 380 000 ans et 100 millions d'années, et quand les premières régions cessent-elles de s'étendre avec l'Univers pour s'effondrer sur elles-mêmes. Comment un gaz qui n'a que de l'hydrogène et de l'hélium, sans les métaux qui refroidissent le gaz des galaxies actuelles, se défait-il de la chaleur de sa chute pour aller jusqu'à la densité d'une étoile. À partir de quelle masse un halo retient-il assez de gaz, assez froid, pour en former une. Trois questions ouvertes ; leurs réponses fixent l'heure de l'allumage.

Dater sans rien voir

Aucune date de cette époque n'a été lue sur une horloge, et aucune 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 étant le rapport entre la taille de l'Univers aujourd'hui et sa taille au moment considéré. Dire que les premières étoiles s'allument « à z = 30 », c'est dire qu'elles s'allument quand l'Univers est 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 — le calcul que le chapitre précédent a démonté. Chaque date de la nuit et de l'aube est un z converti de cette manière.

Aux époques de la nuit, la conversion devient 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 règle à une ligne : t ≈ 17,2 milliards d'années × (1 + z)^(−3/2). Ce n'est pas une formule lue dans une publication, mais un calcul fait pour ce livre avec les paramètres de Planck, H0 ≈ 67,4 km/s/Mpc et Ωm ≈ 0,315. L'exposant dit comment l'âge croît avec l'étirement : quand l'Univers est quatre fois moins étiré, il est huit fois plus jeune. Le préfacteur n'est pas un âge ; c'est la constante qu'imposent le taux d'expansion et la densité de matière.

Posée en face des dates publiées, la règle tient. À z = 30, elle dit environ 100 millions d'années, et personne n'a de contrôle à y opposer. À z = 20, environ 180 millions ; l'équipe d'EDGES a écrit « 180 millions d'années ». À z = 15, environ 270 millions ; Hashimoto a écrit « environ 250 millions d'années », avec un modèle légèrement différent. À z = 14,44, environ 285 millions ; MoM-z14 est donnée à 280. À z = 13, environ 330 millions ; JADES-GS-z13-1-LA à 330. Tous les contrôles tombent à moins de 10 % près, et la conversion z ≈ 30 → environ 100 millions d'années, que la frise signalait comme non vérifiée, est confirmée par le calcul.

La règle a deux bords. À la recombinaison, z ≈ 1 090, elle donnerait environ 480 000 ans là où le tableau du Particle Data Group, calculé avec les mêmes paramètres, donne 372 900 : un écart de 30 %, qui vient de ce que le rayonnement y pèse encore, l'égalité entre matière et rayonnement, à z ≈ 3 400, n'étant pas si loin. Vers la fin de la réionisation, à z = 7,7, elle donne 670 millions d'années et le Particle Data Group 690, parce que l'énergie noire commence à se faire sentir. Entre ces bords, son préfacteur ne dépend que d'une seule combinaison, la densité absolue de matière Ωm h², que Planck lit presque directement sur la forme des pics — le premier des trois étages du chapitre précédent. Si la tension sur le taux d'expansion actuel se résolvait par un H0 plus élevé, l'âge de l'Univers baisserait, mais les 100 millions d'années de z = 30 bougeraient beaucoup moins — tant qu'on suppose 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.

La conversion est solide. Ce qui ne l'est pas, pour la nuit, c'est le z lui-même, et les deux bornes de la frise, ~0,4 et ~100 millions d'années, ne sont pas accrochées à la même chose. La première tient à un objet observé, la surface de dernière diffusion, dont Planck mesure le décalage vers le rouge au quart d'unité près. La seconde tient à une phrase de Klessen et Glover : les premières étoiles se forment « à des décalages vers le rouge de 30 et moins ». Personne n'a vu d'étoile à z = 30. La fin de la nuit est un z théorique converti par une règle solide, et la précision de la règle ne transfère aucune précision à l'événement.

La parenthèse de la frise prend ici son sens exact. 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, accrochée à la date d'un événement que personne n'a observé. On sait très bien quel âge avait l'Univers à z = 30 ; on ne sait pas si les premières étoiles s'y trouvaient.

Une onde longue comme une main

Dans un Univers sans source de lumière, un seul acteur pourrait se signaler lui-même : le gaz d'hydrogène neutre, qui remplit tout. Il absorbe ou émet un rayonnement d'une longueur d'onde de 21 centimètres — l'onde longue comme une main ouverte, environ 1,4 gigahertz au repos. Cette onde, étirée en chemin d'un facteur 1 + z comme toute lumière, arrive de z = 20 à environ 68 mégahertz, quatre mètres et demi d'une crête à l'autre ; de z = 30, à environ 46 mégahertz, six mètres et demi. La raie à 21 cm de la nuit cosmique est devenue une onde radio de quelques dizaines de mégahertz.

Ce témoin a deux vertus. Il ne demande pas d'étoile : c'est l'hydrogène de la nuit lui-même qui laisse sa marque, le seul moyen, en principe, d'observer les âges sombres autrement que par le calcul. Et chaque fréquence reçue correspond à un décalage vers le rouge, donc à une époque : en balayant les fréquences, on balaie le temps, et 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 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, de photons dits Lyman-α ; ce bain modifie la manière dont l'hydrogène absorbe à 21 cm, et l'allumage doit se lire comme un creux dans le spectre.

En 2018, l'expérience EDGES annonce ce creux. L'équipe de Judd Bowman publie dans Nature un « profil d'absorption centré à 78 mégahertz dans le spectre moyenné sur le ciel ». Ce spectre n'est pas une image : l'antenne, posée au sol, ne vise aucun 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. Le bord basse fréquence du profil indique, selon les auteurs, que des étoiles existaient et avaient produit un fond de photons Lyman-α « 180 millions d'années après le Big Bang » ; le centre, à 78 mégahertz, correspond à z ≈ 17, environ 220 millions d'années, le bord à z ≈ 20 et 180 millions. Si le résultat tenait, ce serait la première observation de l'aube, et la fin de la nuit serait datée par une mesure plutôt que par une théorie.

Le résultat porte en lui-même son premier problème : la profondeur du creux est « plus de deux fois supérieure aux plus grandes prédictions ». Un tel écart laisse deux lectures — un signal réel, qui oblige à ajouter à la physique de la nuit quelque chose que le modèle standard n'y met pas ; ou un creux qui ne vient pas du ciel mais de l'instrument ou de son traitement —, et la mesure est de celles qui laissent le plus de place à la seconde. À Holmdel, en 1964-1965, Penzias et Wilson avaient trouvé le fond diffus comme un excès de bruit qui résistait à toutes les explications locales. EDGES cherche l'inverse : un léger déficit dans le bruit d'une antenne, à des fréquences où le ciel émet bien davantage par ailleurs. Pour trancher, il faut une seconde antenne, conçue autrement, qui regarde le même ciel.

Elle vient en 2022. Le radiomètre SARAS 3, d'une équipe menée 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 est rejeté avec 95,3 % de confiance. Ce chiffre vaut un peu moins de deux écarts-types, loin des cinq qu'on exige en physique pour annoncer une découverte. SARAS 3 ne démontre donc pas au seuil habituel que le creux 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.

Une aube vers 180 millions d'années reste plausible, compatible avec la prédiction qui fait naître les premières étoiles à z ≤ 30 et les fait dominer la formation d'étoiles jusqu'à z ≈ 15 à 20, entre 180 et 270 millions d'années environ. 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 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 lumière. Tant que ces mesures n'existent pas, le seul témoin possible de la nuit a déposé une fois, et sa déposition est contestée.

Ce que Webb borne

La fin de la nuit dépend de ce qu'on appelle la fin. Deux définitions coexistent, et elles ne désignent pas le même événement. La première est la plus simple : la nuit finit quand quelque chose brille. C'est celle de la frise, qui arrête les âges sombres vers 100 millions d'années ; selon Klessen et Glover, les étoiles de population III se forment à z ≤ 30, soit à partir d'environ 100 millions d'années. Cette date est une hypothèse. Aucune étoile de population III n'a été observée directement, et le signal radio qui aurait pu dater leur allumage est contesté.

Cette première fin est 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. 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 ». Or l'oxygène n'existait pas à la sortie de la nuit ; il est forgé dans les étoiles et dispersé par leur mort. Une galaxie qui en contient à 300 millions d'années suppose 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 par l'équipe de Hashimoto d'une formation vers 250 millions d'années. 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 qu'elles disent de la rapidité de l'aube appartient à un autre chapitre.

Cinq photons sur cent

La seconde fin est la réionisation. Quand les premières sources brillent, leur lumière ultraviolette arrache de nouveau les électrons à l'hydrogène intergalactique, et le gaz neutre de la nuit redevient un gaz ionisé — par bulles, qui grossissent autour des sources et finissent par se rejoindre. C'est ce basculement que la frise appelle « la fin des âges sombres », et cette fin-là se mesure.

Elle se mesure dans le fond diffus lui-même, par le mécanisme 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 diffusée à nouveau en chemin. La grandeur qui compte ces diffusions est la profondeur optique τ, la même qui définit la surface de dernière diffusion ; Planck mesure τ = 0,054 ± 0,007 — environ cinq photons sur cent, diffusés une seconde fois après la nuit —, et ce nombre est l'un des six paramètres du modèle de base. La carte de la première lumière, rouverte une dernière fois, 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, et une réionisation précoce et lente peut donner le même total qu'une réionisation tardive et rapide. Pour en tirer une date, Planck suppose une bascule régulière de l'état neutre à l'état ionisé autour d'un décalage central — le mi-parcours « suppose un modèle tanh simple », écrivent ses tables — et l'ajuste à z = 7,68 ± 0,79. Par la règle, environ 670 millions d'années, entre 590 et 780 pour la marge ; 690 dans le tableau du Particle Data Group.

Cette date a bougé ; par elle, 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. 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, environ 1,1 milliard d'années — les dernières poches de gaz neutre, que la lumière des sources n'a pas encore atteintes.

Les deux définitions donnent des nuits 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 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 où des sources déjà allumées n'ont pas encore rendu le gaz transparent à l'ultraviolet.

Chacune des bornes repose sur un observable différent. La première sur une théorie de la formation des étoiles, contrainte par le bas par un signal radio contesté et par le haut par les galaxies que Webb découvre à des décalages toujours plus grands ; la seconde sur un total de diffusions converti en date par un modèle de transition, et sur les quasars. Quand l'un de ces observables change, la frise change. Les conversions ne bougent presque pas ; ce qui bouge, ce sont les z auxquels on attache les événements. 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. La nuit s'achève sur des étoiles que la logique impose et que personne n'a vues.