À l’issu du Big Bang, il y a environ 13,8 milliards d’années, l’univers primordial est plongé dans l’obscurité. La matière forme une « soupe » si dense qu’elle constitue une véritable prison pour les photons, qui ne peuvent dès lors pas encore voyager librement. Puis, 380’000 ans après, l’état de la matière change et la lumière peut enfin s’échapper. Mais que s’est-il réellement passé ?

L’univers primordial et la matière

Il y a 13,8 milliards d’années, l’univers primordial était bien différent de notre univers actuel. En effet, le Modèle Standard de la cosmologie nous apprend qu’à cette époque, ce dernier était extrêmement chaud et dense. Suite au Big Bang (environ 10-12 secondes après), l’univers entre dans « l’époque des quarks », la matière existe alors sous la forme d’une « soupe » primitive de quarks libres et de gluons appelée « plasma quarks-gluons », dans laquelle se trouvent également les leptons (électrons, neutrinos, etc.). Durant cette période, la température et la densité de l’univers sont si élevées que l’énergie des différentes particules ainsi que leurs collisions empêchent les quarks de se lier entre eux pour former les hadrons.

Puis, l’univers s’est refroidi progressivement, l’énergie par particule diminuait corrélativement jusqu’à ce qu’elle ne soit plus suffisante pour que les quarks restent libres. Ainsi, environ 10-6 secondes après le Big Bang, les quarks se lient et se combinent entre eux via le mécanisme du confinement de couleur pour former les hadrons.

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Simulation d’un plasma quarks-gluons, état de la matière où les quarks et les gluons libres forment une « soupe » désordonnée. Crédits : Princeton University

En sortie de l’époque des quarks, les quarks se lient donc entre eux pour former les hadrons, plus particulièrement les protons et les neutrons (nucléons). Par la suite, les nucléons se combinent à leur tour pour former les premiers noyaux atomiques d’hydrogène, d’hélium et de lithium : c’est la nucléosynthèse primordiale. Cependant, la température de l’univers est encore trop élevée pour que ces noyaux atomiques puissent capter les électrons et former des atomes. Les électrons circulent alors librement dans l’univers.

Les photons piégés par les électrons

Au milieu des noyaux atomiques et des électrons libres, les photons (la lumière), tentent de se frayer un chemin. Néanmoins, puisque l’univers est en équilibre thermique, l’énergie moyenne des électrons et des photons étant sensiblement identique, l’interaction entre matière et rayonnement est maximale : les photons étant continuellement absorbés, émis et diffusés par les électrons environnant via le mécanisme de la diffusion Thomson (diffusion d’un photon par un électron libre). Le libre parcours moyen, c’est-à-dire la distance moyenne parcourue par une particule entre deux collisions des photons est alors très court, donnant un univers obscur, sombre et opaque, à l’image d’un brouillard dense.

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Illustration du libre parcours moyen d’un photon « piégé » par les électrons libres. Le photon est absorbé et diffusé en permanence par les électrons via la diffusion Thomson.

Les photons sont ainsi véritablement piégés par les électrons qui les empêchent de circuler librement dans l’univers.

La recombinaison et la libération des premiers photons

Progressivement, la température de l’univers diminue jusqu’à ce que l’énergie par particule soit inférieure à l’énergie de ionisation des noyaux atomiques, l’univers n’est alors plus en équilibre thermique. Commence alors l’époque de la recombinaison, 380’000 ans après le Big Bang.

La température de l’univers n’est plus suffisante pour maintenir les noyaux atomiques et les électrons séparés, si bien que ceux-ci se combinent pour former les premiers atomes. La recombinaison commence d’abord avec les atomes d’hélium et de lithium. Puis, lorsque l’univers atteint une température d’environ 2700 °C (~3000 K), c’est l’hydrogène, représentant plus de 90% des noyaux atomiques, qui se recombine.

La recombinaison de l’hydrogène entraîne la disparition quasi-totale de tous les électrons libres qui ont été captés par les noyaux d’hydrogène.

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Recombinaison de l’hydrogène : les électrons libres ont presque tous disparus et la lumière peut voyager librement.

Une fois la majorité des électrons captés par les noyaux atomiques pour former les atomes, les photons cessent d’être continuellement absorbés et diffusés, et peuvent enfin voyager librement dans l’univers. C’est le découplage du rayonnement (la lumière se découple littéralement de la matière). Les premiers photons qui s’échappent à ce moment-là depuis la zone de l’univers appelée « surface de dernière diffusion », forment le fond diffus cosmologique que l’on observe aujourd’hui.

Source : Caltech

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