Constraints on the Thomson optical depth to the CMB from the Lyman-$\alpha$ forest

Pour comprendre l'histoire de l'univers, les astronomes remontent souvent le temps vers une époque où le cosmos était un lieu sombre et brumeux, rempli de gaz d'hydrogène neutre. Pendant des centaines de millions d'années après le Big Bang, ce gaz a bloqué la lumière, rendant l'univers opaque. Puis, une transformation s'est produite : les premières étoiles et galaxies se sont allumées, émettant un rayonnement ultraviolet intense qui a arraché les électrons des atomes d'hydrogène, transformant le brouillard en un plasma transparent. Cette ère est connue sous le nom d'Époque de la Réionisation. Bien que nous ne puissions pas voir cette période directement avec nos yeux, nous pouvons mesurer ses séquelles en étudiant la quantité de lumière provenant d'objets lointains qui a été diffusée par les électrons libres. Cette diffusion crée une « épaisseur optique » spécifique, une mesure de l'épaisseur du brouillard pendant cette transition. Déterminer la valeur exacte de cette épaisseur est crucial car cela aide les scientifiques à tester le modèle standard de la cosmologie. Récemment, de nouvelles données issues de relevés de galaxies ont suggéré un univers qui pourrait être en expansion plus rapide ou contenir moins de matière que ce que l'on pensait auparavant, mais ces indices reposent fortement sur des hypothèses concernant l'épaisseur du brouillard cosmique. Si le brouillard était plus épais que nous ne le pensions, cela pourrait changer notre compréhension de l'énergie noire et des lois fondamentales de la physique.

Une équipe de chercheurs a maintenant adopté une nouvelle approche pour mesurer ce brouillard cosmique, contournant les méthodes traditionnelles qui reposent sur la lumière la plus ancienne de l'univers. Au lieu d'étudier le Fond Diffus Cosmique Micro-ondes, l'écho de la chaleur du Big Bang, ils ont porté leur attention sur la forêt Lyman-alpha. Ce phénomène apparaît lorsque nous observons la lumière de quasars très lointains, qui sont les cœurs brillants de galaxies actives. À mesure que cette lumière voyage à travers des milliards d'années-lumière pour nous atteindre, elle traverse de vastes nuages de gaz d'hydrogène. Le gaz absorbe certaines couleurs de la lumière, laissant une série de raies sombres dans le spectre qui ressemblent à une forêt. La densité et la température de ces nuages de gaz laissent une empreinte distincte sur la lumière. Les chercheurs ont réalisé que la température de ce gaz est intimement liée à la façon dont l'univers a été réionisé. Lorsque les premières étoiles se sont allumées, elles n'ont pas seulement ionisé le gaz ; elles l'ont également chauffé. Ce chauffage a modifié la pression du gaz, ce qui a, en retour, lissé les plus petites structures de matière. En étudiant les motifs de la forêt Lyman-alpha, l'équipe a pu retracer l'histoire thermique du gaz et, à partir de là, déduire la quantité de diffusion d'électrons qui s'est produite lors de la réionisation.

L'équipe a utilisé des observations à haute résolution de quasars pour cartographier la température et la densité du gaz à un moment spécifique de l'histoire cosmique, environ quand l'univers avait un milliard d'années. Ils ont combiné ces mesures réelles avec des simulations informatiques sophistiquées qui modélisaient le comportement de l'hydrogène et de l'hélium sous différents scénarios de réionisation. Ils ont testé deux types principaux de modèles : un où la fin de l'ère de réionisation était fixée sur la base de ce que nous savons déjà de la forêt Lyman-alpha, et un autre où la durée de l'ère était fixée, une hypothèse courante dans d'autres études. En résolvant les équations qui régissent la façon dont le gaz chauffe et s'ionise, ils ont créé un lien direct entre la température du gaz observé et la quantité totale de diffusion d'électrons qui a dû se produire. Cela leur a permis de calculer l'épaisseur optique sans avoir besoin de s'appuyer sur les données du Fond Diffus Cosmique Micro-ondes qui sont la norme depuis des décennies.

Leurs conclusions suggèrent que l'univers a connu un processus de réionisation relativement rapide et tardif. Ils ont calculé l'épaisseur optique à environ 0,040, avec une faible marge d'incertitude. Cette valeur est nettement inférieure aux chiffres plus élevés, autour de 0,09, que certaines études récentes ont proposés pour résoudre les tensions entre différents ensembles de données cosmologiques. Les chercheurs ont constaté que si l'univers avait été réionisé d'une manière qui aurait produit une telle épaisseur optique, le gaz aurait été trop chaud et les structures à petite échelle de la forêt Lyman-alpha auraient été plus lissées que ce que nous observons réellement. En d'autres termes, les preuves physiques provenant des nuages de gaz excluent l'idée que le brouillard cosmique était aussi épais que certaines théories l'exigent pour corriger les divergences dans les données de distribution des galaxies. L'étude indique que le modèle standard, qui suppose une épaisseur optique plus faible, reste cohérent avec l'état thermique du gaz intergalactique.

Tournés vers l'avenir, l'équipe a simulé ce qui se passerait s'ils avaient accès à un échantillon beaucoup plus large de quasars, similaire à ce que les futurs télescopes comme le relevé du Gemini High Resolution Optical Spectrograph fourniront. Ils ont découvert qu'avec plus de données, leurs contraintes deviendraient encore plus serrées, excluant potentiellement les valeurs d'épaisseur optique plus élevées avec une certitude accrue. Ce travail démontre que la forêt Lyman-alpha est un outil puissant et indépendant pour comprendre l'histoire de l'univers. Elle offre un moyen de vérifier les conditions du cosmos primitif en utilisant le gaz lui-même, plutôt que de compter uniquement sur l'écho du Big Bang. Les résultats renforcent l'image d'un univers où la transition de l'obscurité à la lumière s'est produite rapidement et s'est terminée relativement tard, fournissant une base plus claire et plus cohérente pour notre compréhension de l'évolution cosmique.