L'observation des signaux radio à 26 cm , dus à la transition hyperfine de l'hydrogène cosmique, offre un outil alternatif pour l'étude de l' Univers primordial . Durant l'époque neutre de l' Univers immatériel , où aucune lumière n'était émise, les raies à 26 cm constituent peut-être la seule fenêtre ouverte sur l'Univers primordial. Cependant, ces signaux radio décalés vers le rouge, émis par l'hydrogène cosmique dans l' Univers primordial , sont extrêmement faibles et sont restés jusqu'à présent insaisissables. En 2018, l'expérience EDGE a annoncé la détection de signaux à 26 cm, mais ces résultats n'ont pu être confirmés indépendamment. Le principal obstacle résidait dans les erreurs systématiques de l'instrument et la contamination par d'autres signaux provenant du ciel. L'expérience REACH vise à employer une méthodologie unique pour surmonter cet obstacle. On espère que cette équipe de recherche parviendra à détecter ces signaux insaisissables de manière fiable dans un avenir proche. En cas de succès, l'expérience REACH pourrait placer la radioastronomie à 26 cm au premier plan de l'étude de l'Univers primordial et nous aider considérablement à percer les mystères de l'Univers primordial.
Lorsqu'on aborde l'étude de l'Univers primordial , le nom du télescope spatial James Webb (JWST), récemment lancé, vient immédiatement à l'esprit. Successeur du télescope Hubble , qui a connu un immense succès, le JWST est un observatoire spatial infrarouge conçu pour capter les signaux optiques et infrarouges des premières étoiles et galaxies formées dans l' Univers peu après le Big Bang¹ . Cependant, le JWST présente encore certaines limitations quant à la détection des signaux provenant de l'époque neutre de l'Univers primordial.
Tableau : Époques de l'histoire de l'univers depuis le Big Bang
(Source : Philosophie de la cosmologie – Fond de 21 cm. Disponible sur http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/images/21-cm-background.jpg )
Jusqu'à 380 000 ans après le Big Bang, l' Univers était rempli de gaz ionisé et totalement opaque. Entre 380 000 et 400 millions d'années, il devint neutre et transparent. L'époque de la réionisation commença après cette phase, 400 millions d'années après le Big Bang.
Durant l'époque neutre de l'Univers primordial , lorsque celui-ci était rempli de gaz neutres et transparent, aucun signal optique n'était émis (d'où le nom d'âge sombre). La matière ionisée n'émet pas de lumière. Ceci représente un défi pour l'étude de l'Univers primordial de cette époque. Cependant, le rayonnement micro-onde de 21 cm de longueur d'onde (correspondant à 1420 MHz) émis par l'hydrogène cosmique froid et neutre durant cette période, suite à une transition hyperfine (passage d'un spin parallèle à un spin antiparallèle plus stable), offre des perspectives aux chercheurs. Ce rayonnement micro-onde de 21 cm serait décalé vers le rouge en atteignant la Terre et serait observé à des fréquences comprises entre 200 MHz et 10 MHz sous forme d'ondes radio<sup> 2,3 </sup>.
Radioastronomie à 21 cm : L’observation des signaux d’hydrogène cosmique à 21 centimètres offre une approche alternative pour l’étude de l’ Univers primordial , notamment de la phase neutre dépourvue d’émission lumineuse. Elle peut également nous renseigner sur de nouveaux phénomènes physiques tels que la distribution de la matière au cours du temps, l’énergie noire, la matière noire, la masse des neutrinos et l’ inflation².
Cependant, les signaux à 21 cm émis par l'hydrogène cosmique durant les premières phases de l'Univers restent difficiles à détecter. On s'attend à ce qu'ils soient extrêmement faibles (environ cent mille fois plus faibles que les autres signaux radio émis par le ciel). De ce fait, cette approche n'en est qu'à ses balbutiements.
En 2018, des chercheurs ont annoncé la détection d'un signal radio à 78 MHz dont le profil correspondait globalement aux prévisions pour le signal à 21 cm émis par l'hydrogène cosmique primordial . Cependant, cette détection n'a pu être confirmée indépendamment, et la fiabilité de l'expérience reste donc à établir. Le principal problème semble être la contamination par d'autres signaux radio.
Le dernier jalon est le rapport de l'expérience radio pour l'analyse de l'hydrogène cosmique (REACH) le 21 juillet 2022. REACH utilisera une nouvelle approche expérimentale pour détecter ces signaux radio cosmiques faibles et insaisissables, offrant ainsi un nouvel espoir de confirmation des signaux cosmiques de 21 centimètres.
L'expérience radio pour l'analyse de l'hydrogène cosmique (REACH) est une expérience de radioastronomie à 21 cm moyennée sur le ciel. Elle vise à améliorer les observations en gérant les problèmes liés aux signaux systématiques résiduels dans les données. Elle se concentre sur la détection et l'explication conjointe de ces signaux systématiques avec ceux du premier plan et du signal cosmologique, à l'aide de statistiques bayésiennes. L' expérience comprend des observations simultanées avec deux antennes différentes : un système à très large bande (décalage vers le rouge d'environ 7.5 à 28) et un calibrateur de récepteur basé sur des mesures in situ.
Cette évolution est importante compte tenu de son potentiel à devenir l'un des meilleurs outils (et rentable également par rapport aux observatoires spatiaux comme James Webb ) pour l'étude de l' univers primitif , ainsi que de la possibilité d'inaugurer une nouvelle physique fondamentale.
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Références:
- Prasad U., 2021.Télescope spatial James Webb (JWST) : le premier observatoire spatial dédié à l'étude de l'univers primitif. Scientifique Européen. Publié le 6 novembre 2021. Disponible sur http://scientificeuropean.co.uk/sciences/space/james-webb-space-telescope-jwst-the-first-space-observatory-dedicated-to-the-study-of-early-universe/
- Pritchard JA et Loeb A., 2012. La cosmologie du 21 cm au 21e siècle. Reports on Progress in Physics 75 086901. Disponible sur https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0034-4885/75/8/086901. Prépublication sur arXiv disponible sur https://arxiv.org/abs/1109.6012 version pdf https://arxiv.org/pdf/1109.6012.pdf
- L'université d'Oxford. Philosophie de la cosmologie – fond de 21 cm. Disponible à http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/21cm-background.html
- Bowman, J., Rogers, A., Monsalve, R. et al. Un profil d'absorption centré à 78 mégahertz dans le spectre moyenné par le ciel. Nature 555, 67-70 (2018). https://doi.org/10.1038/nature25792
- de Lera Acedo, E., de Villiers, DIL, Razavi-Ghods, N. et al. Le radiomètre REACH pour détecter le signal d'hydrogène à 21 cm à partir du décalage vers le rouge z ≈ 7.5–28. Nat Astron (2022). https://doi.org/10.1038/s41550-022-01709-9
- Eloy de Lera Acedo 2022. Dévoiler les mystères de l'Univers infantile avec le radiomètre REACH. Disponible en ligne sur https://astronomycommunity.nature.com/posts/u
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