Il y a une époque dans l’histoire de l’univers dont les scientifiques parlent encoresavent très peu de choses.
Il n’y avait pas d’étoiles ou de planètes à cette époque. L’histoire de l’univers primitif, qui a précédé l’âge des ténèbres, peut être jugée par le rayonnement de fond diffus cosmologique.Mais il n’y a toujours aucun moyen pour les astrophysiciens d’observer ce qui s’est passé pendant l’âge des ténèbres.Bien que les ondes radio de cette période existent encore dans l’espace, l’abondance d’interférences radio sur Terre a obscurci ces signaux de l’espace.observateurs sur notre planète.
Mais les chercheurs ne renoncent pas à trouver un moyen d'entendre les signaux de l'âge des ténèbres. Pour ce faire, la NASA envisage de construire le radiotélescope LuSEE-Night sur la face cachée de la Lune.
Quels sont les âges sombres de l'univers ?
La théorie cosmologique moderne décrit l’univers comme un endroit aux conditions extrêmement extrêmes.Toute l’énergie et la matière qui existent dans l’univers ont été concentrées dans un espace minuscule, un milliard de fois plus chaud que le centreSoleil.
Déjà dans les premiers instants après le Big BangL'univers s'est suffisamment refroidi pour permettre la formation des premières particules élémentaires, comme les quarks et les électrons. Les quarks se sont combinés pour former des protons et des neutrons, et des noyaux de deutérium, d'hélium et de lithium se sont formés peu après. L'énergie a traversé l'univers naissant sous forme de photons, mais cette lumière primitive a ricoché sur des électrons libres, qui n'avaient encore été liés à aucun atome, à chaque tour.
À la fin de cette ère, environ 380 000 ansdes années après le Big Bang, l'univers s'est suffisamment refroidi pour permettre aux protons de commencer à attirer des électrons et à former des atomes neutres pour la première fois. Ce processus est appelé recombinaison, qui est un terme chimique général qui décrit la capture d'électrons libres par des ions chargés. Au début de l'âge des ténèbres, une telle capture a eu lieu pour la première fois.
Les astrophysiciens savent à quoi ressemblait l'univers il n'y a pas si longtempsavant le début de l'âge des ténèbres. Lorsque les premiers atomes neutres se sont formés, le processus a libéré des photons de lumière qui se sont dispersés dans tout l'univers, créant un "instantané" des conditions. Ce fond cosmique de micro-ondes ou rayonnement de fond cosmique est toujours enregistré et montre qu'à cette époque l'Univers était plus ou moins uniforme en densité, avec de très petites ondulations.
Avant la formation des premières étoiles, il y avait peu de lumière, à l’exception des atomes d’hydrogène, qui constituaient la majeure partie de la matière baryonique à cette époque, la majeure partie de l’univers était constituée de matière noire, qui ne rayonne pasSveti n’interagit pas du tout avec les ondes électromagnétiques.Les chercheurs pensent que les atomes d’hydrogène neutres qui remplissaient l’univers diffusaient ou absorbaient la plupart des photons ultraviolets émis par les toutes premières étoiles.
L'univers est redevenu transparent aux rayons UVaprès la formation d'un nombre suffisant des premières étoiles et galaxies - plusieurs centaines de millions d'années après le Big Bang. La matière s'est condensée et a commencé à former des structures qui imprègnent l'Univers aujourd'hui. Certaines des premières étoiles étaient massives et brillantes, leur lumière suffisamment énergétique pour éliminer les électrons des atomes d'hydrogène environnants dans un processus connu sous le nom d'ionisation. Et contrairement aux atomes neutres, l'hydrogène ionisé n'absorbe ni ne diffuse la lumière.
Carte de l'évolution de l'univers. Image : Roen Kelly, astronomie
Pourquoi la face cachée de la lune ?
Pour étudier la distribution de l'hydrogène neutre,qui constituait l'essentiel de la matière baryonique à l'âge des ténèbres, on peut utiliser l'analyse de la raie radio de l'hydrogène neutre ou de la raie 21 cm, c'est une transition hyperfine de l'hydrogène neutre, visible sur le fond du CMB.
Lorsque le moment magnétique d’un électron est spontanément inversé, l’atome d’hydrogène neutre émetrayonnement électromagnétique quantique d’une longueur d’onde de 21,1 cm.Extrêmement rare, mais à l’échelle d’un grand nombre d’atomes individuels, suffisamment puissants pour devenir perceptibles.
En raison du redshift causé parAvec l'expansion de l'univers, la longueur d'onde de la ligne d'hydrogène neutre des atomes de l'âge des ténèbres est encore augmentée. Il s'agit d'un signal extrêmement faible qui se perd dans de nombreuses interférences radio.
La lune et la terre sont reliées par les marées, ce qui signifiequ'un satellite naturel tourne autour de son axe à la même vitesse que autour de la planète. Ce phénomène s'appelle le piégeage des marées et c'est pourquoi la Lune fait toujours face à la Terre d'un côté. L'envers du satellite est protégé de nombreuses sources d'interférences radio la nuit par sa propre masse.
La face cachée de la lune est dans l'obscurité totalependant 14 jours terrestres suivis de 14 jours d'ensoleillement intense. Cela fait fluctuer la température à sa surface de -173 °C la nuit à +127 °C, et un changement brusque peut se produire en quelques heures.
Ces conditions créent des conditions très difficiles pourfonctionnement des engins spatiaux. Les appareils qui peuvent survivre à plusieurs cycles de jour et de nuit doivent évacuer la chaleur dans le vide pendant la journée et ne pas geler la nuit, et en même temps fonctionner dans l'obscurité, lorsque le soleil ne crée pas d'interférences inutiles.
Comment fonctionnera LuSEE-Night ?
LuSEE-Night est une mission d'exploration de la NASAdont le but est de faire atterrir un radiotélescope sur la face cachée de la lune et d'effectuer les mesures les plus précises du ciel à des fréquences inférieures à 0,1 à 50 MHz. Il devrait être livré sur la Lune en 2025 et fonctionner pendant 18 mois après son atterrissage.
Le site d'atterrissage de la mission LuSEE-Night. Image : Laboratoire national de Brookhaven
Le télescope sera livré à un point de coordonnées 23°48′ 50″ S et 176° 49′ 47″ e.d. Il s'agit d'un site d'atterrissage pratique, situé à proximité de l'antiméridien - une ligne reliant les pôles du satellite et tournée vers la Terre, où les interférences radio de la planète sont minimes. Après l'atterrissage, l'atterrisseur LuSEE-Night s'éteindra définitivement pour éviter de provoquer des interférences.
L'antenne du télescope sera composée de quatreAntennes asymétriques de 3 mètres. Il sera monté sur une plate-forme motorisée appelée plateau tournant. Le déplacement de l'antenne aidera à mesurer différentes combinaisons de signaux. Les données LuSEE-Night collectées seront transmises à un satellite répéteur qui orbite autour de la Lune et transmet les données à la Terre.
LuSEE-Night n'est pas un radiotélescope standard.C'est plus comme une radio. Il fonctionnera comme une radio FM, recevant des signaux radio dans la même bande de fréquence. Le spectromètre est au centre de tout cela. Comme un tuner radio, il peut isoler les fréquences radio et convertir les signaux en spectres de rayonnement électromagnétique.
Anje Slosar, physicienne au Brookhaven National Laboratory, l'un des développeurs du télescope LuSEE-Night
Quatre antennes du télescope LuSEE-Night. Image : Laboratoire national de Brookhaven
Bien que les chercheurs ne sachent pas si le télescope pourraimmédiatement après le début du travail, corrigez le signal radio de l'âge des ténèbres. Ils notent qu'il est un pionnier, ce qui devrait montrer quel type de données les chercheurs peuvent, en principe, obtenir de l'autre côté de la lune. Peut-être que de vraies découvertes nécessiteront de nouvelles missions, mais la première étape est toujours l'une des plus difficiles.
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En couverture : l'autre côté de la lune. Image : NASA, domaine public, via Wikimedia Commons