Noyaux et atomescomment le fond diffus cosmologique a commencé

Le fond diffus cosmologique est la rémanence du Big Bang. Il s'est formé environ 380 000 ans après le Big Bang, quand les électrons ont été capturés par les noyaux, que l'univers est devenu transparent et que la première lumière a commencé son voyage vers l'avenir. Cette lumière peut encore être mesurée aujourd'hui. Auparavant, à 3 minutes, environ 25 % de la masse s'était transformée en hélium, et la recette des éléments les plus légers était fixée à 20 minutes.

Cette ère va de 3 minutes à 150 millions d'années et comporte trois parties : la nucléosynthèse, qui fabrique les éléments les plus légers ; la recombinaison et la transparence, quand la lumière voyage librement pour la première fois ; et enfin les longs âges sombres, quand l'univers n'avait pas d'étoiles et seulement de l'hydrogène neutre qui se refroidissait.

Six événements

• 3 min · Nucléosynthèse primordiale : environ 25 % de la masse devient de l'hélium.
• 20 min · Formation du lithium 7 : la recette des éléments les plus légers est fixée. Les nouveaux éléments devront attendre les étoiles.
• 47 000 ans · Domination de la matière : la densité de matière dépasse la densité de rayonnement, et la matière l'emporte sur la lumière et le rayonnement.
• 380 000 ans · Recombinaison : les électrons sont capturés par les noyaux.
• 380 000 ans · Fond diffus cosmologique : l'univers devient transparent et la première lumière part vers l'avenir, comme un épais brouillard qui se lève soudain.
• 380 000 ans à 150 millions d'années · Âges sombres : pas d'étoiles, seulement de l'hydrogène neutre qui se refroidit.

La recette des éléments légers

Ralph Alpher et George Gamow ont calculé comment les éléments légers se sont formés dans le Big Bang, et le nom de Hans Bethe a été ajouté pour faire la plaisanterie « αβγ ». L'article s'intitule « The origin of chemical elements » (Alpher, Bethe et Gamow, Physical Review, 1948). Sur la frise ci-dessus, l'hélium était déjà abondant à 3 minutes et le lithium 7 est apparu à 20 minutes, ce qui a fixé la recette des éléments les plus légers.

La rémanence, découverte par hasard par deux personnes

Deux chercheurs des Bell Labs n'arrivaient pas à se débarrasser du bruit dans leur antenne. Ils ont fini par comprendre qu'il s'agissait de la rémanence du Big Bang, et ont reçu le prix Nobel 1978. Leur article a un titre sans prétention, « A measurement of excess antenna temperature at 4080 Mc/s » (Penzias et Wilson, The Astrophysical Journal, 1965). Par coïncidence, une équipe de Princeton s'apprêtait à chercher justement ce rayonnement et a été devancée par ses voisins. Elle a rédigé l'explication théorique, intitulée « Cosmic black-body radiation » (Dicke, Peebles, Roll et Wilkinson, The Astrophysical Journal, 1965).

Mesurer la rémanence plus précisément

Le spectre mesuré par COBE correspondait presque parfaitement à la courbe théorique du corps noir, apportant un soutien décisif à la théorie du Big Bang. L'article est « A preliminary measurement of the cosmic microwave background spectrum by the Cosmic Background Explorer (COBE) satellite » (Mather et al., The Astrophysical Journal Letters, 1990). Deux ans plus tard, les données du même satellite ont montré dans le rayonnement de fond des variations de température d'une partie sur 100 000. Ces infimes différences étaient les germes des galaxies futures. L'article s'intitule « Structure in the COBE Differential Microwave Radiometer first-year maps » (Smoot et al., The Astrophysical Journal Letters, 1992). Les ondes sonores de l'univers primitif ont aussi laissé dans la distribution des galaxies une échelle caractéristique d'environ 500 millions d'années-lumière, devenue une règle pour mesurer l'univers. L'article est « Detection of the baryon acoustic peak in the large-scale correlation function of SDSS luminous red galaxies » (Eisenstein et al., The Astrophysical Journal, 2005). Enfin, le satellite Planck a mesuré les fines ondulations de la rémanence : la matière ordinaire représente environ 5 % de l'énergie totale de l'univers, la matière noire environ 27 %, et le reste est de l'énergie noire (collaboration Planck, Astronomy & Astrophysics, 2020).

Comment « voir » les âges sombres

Sans étoiles, il n'y a pas de lumière pour voir, alors les chercheurs s'appuient sur l'hydrogène. Les humains ont d'abord détecté l'émission radio à 21 cm de l'hydrogène neutre, ce qui a permis de « voir » dans la Voie lactée du gaz autrement invisible. Le titre de l'article est simplement « Observation of a line in the galactic radio spectrum » (Ewen et Purcell, Nature, 1951). L'expérience EDGES a rapporté un signal d'absorption à 21 cm laissé par la première génération d'étoiles, dans un article intitulé « An absorption profile centred at 78 megahertz in the sky-averaged spectrum ». Le résultat est encore discuté et attend une vérification indépendante (Bowman et al., Nature, 2018).

Ce qu'il y a dans un atome

Des particules alpha sont parfois renvoyées en arrière par une feuille d'or, et Ernest Rutherford en a déduit que la masse d'un atome est concentrée dans un minuscule noyau (Rutherford, Philosophical Magazine, 1911). L'article s'intitule « The scattering of α and β particles by matter and the structure of the atom ».

Comment le jeu le montre

Dans le jeu, la plage de temps de l'ère Noyaux et atomes est « de 3 minutes à 150 millions d'années » et sa ressource est les atomes. Les générateurs sont Capture de protons, Fusion de deutons, Synthèse de l'hélium 4 et Capture d'électrons, qui correspondent au processus allant de la nucléosynthèse à la formation des atomes.