D'abord, il n'y avait rien. Rien de visible, en tout cas. Notre Univers était plongé dans le noir. Pendant entre 200 et 600 millions d'années. Jusqu'à celle que les astronomesastronomes appellent l'Aube cosmique. Ce moment où, à l'image des premiers rayons de soleil qui éclairent le ciel, les toutes premières étoiles de notre Univers se sont mises à briller. Un moment qui reste inaccessible à nos télescopes. Alors, pour les chercheurs, déterminer les propriétés de ces étoiles est un véritable défi.

C'est ce défi qu'une équipe internationale dirigée par des astronomes de l'université de Cambridge (Royaume-Uni) a décidé de relever. Les chercheurs comptent pour cela sur un signal radio pas tout à fait comme les autres. Le signal dit à 21 centimètres qui a fait son apparition dans notre Univers seulement quelque 100 millions d'années après le Big BangBig Bang. « C'est une occasion unique de comprendre comment la première lumière de l'Univers a émergé de l'obscurité », assure Anastasia Fialkov, coauteure de l'étude à l'Institut d'astronomie de Cambridge.

Un signal radio riche en informations

Pour comprendre, il faut savoir que ce signal à 21 centimètres a été produit lors de l'âge sombre de notre Univers. À un moment où l'hydrogènehydrogène, devenu neutre après une phase durant laquelle il se présentait comme un simple protonproton, a commencé à s'agglutiner sous l'effet du refroidissement. En se condensant, l'hydrogène a fini pour former des étoiles. Et le rayonnement ultravioletultraviolet émis par ces étoiles a réionisé l'hydrogène, éteignant le signal à 21 centimètres. D'abord autour des étoiles, puis partout ailleurs aussi.

Ainsi, capter et analyser ce signal vieux de plus de 13 milliards d'années pourrait permettre de sonder le gazgaz primordial qui remplissait l'espace à l'AubeAube cosmique. Dans la revue Nature Astronomy, les chercheurs de l'université de Cambridge montrent aujourd'hui que ce signal à 21 centimètres dépend tout particulièrement de la massemasse des premières étoiles de notre Univers.

Les astronomes en sont arrivés à cette conclusion grâce à un modèle théorique qu'ils ont développé. Il a livré des détails concernant la réaction du signal de 21 centimètres à la distribution de masse des premières étoiles - celles que les chercheurs qualifient d'étoiles de population IIIpopulation III. Selon les chercheurs, les études précédentes avaient sous-estimé ce lien parce qu'elles ne tenaient pas compte du nombre et de la luminositéluminosité des systèmes binaires Xsystèmes binaires X, c'est-à-dire des systèmes composés d'une étoile normale et d'une étoile effondrée, parmi les étoiles de population III. Or ceux-ci ont aussi leur impact sur le signal à 21 centimètres.

Des radiotélescopes bientôt à la chasse aux premières étoiles

Ces travaux laissent penser que les radiotélescopesradiotélescopes de nouvelle génération auront un rôle important à jouer dans la levée du mystère des débuts de notre Univers : des instruments comme celui exploité par la Radio Experiment for the Analysis of Cosmic Hydrogen (Reach). Il est encore en phase d'étalonnage, mais promet de livrer des données intéressantes sur notre Univers primitif. Le Square Kilometer Array (SKA, Australie et Afrique du Sud), une fois achevé, cartographiera les fluctuations des signaux cosmiques dans notre ciel. Tous les deux devraient aider à sonder les masses, les luminosités et la distribution des premières étoiles de notre Univers.

Ces instruments de demain ne renverront pas d'image d'étoiles individuelles, mais grâce à des travaux préparatoires comme ceux menés par les astronomes de l'université de Cambridge pour les guider, ils devraient être en mesure de livrer des données suffisantes pour caractériser les étoiles de la population III. « Il faut un peu d'imagination pour relier les données radio à l'histoire des premières étoiles, mais les implications sont profondes », conclut Anastasia Fialkov.