Chapitre 9 : Les âges sombres et les premières étoiles

Nuit 97 : Photos de la face nocturne

Le quatre-vingt-dix-septième jour, le sol avait demandé à l’équipage des photos nocturnes de la Terre. Les scientifiques au sol se servent de ces images pour étudier bien des choses : la lueur des villes et des routes, l’extension des lumières au fil des années, les orages et la forme des côtes dans l’obscurité. La tâche paraît simple. En pratique, c’est l’un des travaux les plus difficiles de la station, parce que la station se déplace très vite.

À environ 28 000 kilomètres à l’heure, le sol défile rapidement en dessous. Une photo de la face nocturne demande un long temps de pose, parce qu’il y a très peu de lumière, mais une longue pose devient floue quand l’appareil et le sol se déplacent l’un par rapport à l’autre. Noor utilisait donc un support qui tournait lentement pour suivre le sol, et elle vérifiait chaque image à l’écran avant de prendre la suivante. Ade flottait à côté d’elle et lisait les horaires auxquels la station passerait au-dessus de chaque zone demandée par les scientifiques.

Entre les photos prévues, ils virent des choses qu’aucun programme ne pouvait prévoir. Loin sur le côté, un orage lançait des éclairs, un nuage s’illuminant après l’autre, comme des lampes qu’on allume et qu’on éteint dans une grande maison obscure. Près du bord de la Terre, un rideau vert d’aurore ondulait lentement, avec une légère touche de rouge à son sommet. Au-dessus de tout cela, le long de la courbe de la planète, s’étendait une fine bande pâle d’air lumineux, et au-dessus encore, le ciel noir et les étoiles.

Noor savait ce qu’elle voyait. L’aurore apparaît quand de minuscules particules jaillies du Soleil sont guidées par le magnétisme de la Terre vers les régions proches des pôles, où elles font briller la haute atmosphère, très ténue, un peu comme le gaz d’une enseigne lumineuse. La bande pâle le long du bord de la planète était l’air lui-même, qui restituait, très faiblement, une partie de l’énergie qu’il avait recueillie de la lumière du Soleil pendant la journée.

Quand la station repassa dans la lumière du Soleil, Noor rangea l’appareil et parcourut les photos. La plupart étaient bonnes. Quelques-unes étaient floues, et elle les signala pour que les scientifiques le sachent. Puis elle resta un moment devant la dernière image à l’écran : une Terre sombre, quelques lumières éparses et, au-dessus, l’obscurité complète. Cela lui rappela quelque chose qu’elle avait lu sur l’Univers après la plus ancienne lumière, une époque où il n’existait pas encore une seule étoile.

Ce soir-là, elle posa une question à Sami au lieu de répondre à l’une des siennes. Elle lui demanda quel était l’endroit le plus sombre de sa tournée de nuit. Il répondit que c’était une longue route entre des champs, sans villes ni réverbères, où il éteignait parfois la radio pour conduire en silence. Noor lui dit que l’Univers avait connu autrefois une obscurité de ce genre, mais bien plus longue, qui avait duré des millions d’années. Et que les premières lumières à y apparaître avaient été les premières étoiles.

Après la plus ancienne lumière

Lors d’une nuit précédente, nous avons vu le brouillard se lever environ 380 000 ans après le commencement. Les atomes se formèrent, et la plus ancienne lumière fut libérée. Au début, cette lumière était chaude et vive, la lueur de quelque chose dont la température atteignait quelques milliers de degrés. Si vous aviez pu être là, le ciel entier aurait brillé d’une douce lumière orangée. Mais l’Univers a continué de s’étendre, et la lumière de s’étirer. En quelques millions d’années, ses ondes devinrent plus longues que ce que l’œil peut voir. Le ciel, pour des yeux humains, s’assombrit.

Il n’y avait pas encore d’étoiles pour remplacer cette lumière. L’Univers était rempli de gaz, presque entièrement de l’hydrogène et de l’hélium, les éléments simples des premières minutes. Ce gaz était réparti de façon assez uniforme dans l’espace, mais pas parfaitement, à cause des minuscules rides que nous avons vues dans la plus ancienne lumière. Et il y avait autre chose, que nous rencontrerons vraiment lors de la prochaine nuit : une grande quantité de matière invisible, appelée matière noire, qui ne brille pas mais exerce une attraction par sa gravité.

Combien de temps ont duré les âges sombres ? Ils ont commencé quand la plus ancienne lumière a disparu du champ de la vue et se sont terminés quand les premières étoiles ont commencé à briller. Comme les premières étoiles se sont probablement formées au cours des premières centaines de millions d’années, les âges sombres ont probablement duré cent millions d’années ou davantage. Personne n’en connaît la durée exacte. Ce fut en tout cas une très longue nuit, bien plus longue que toute l’histoire humaine, de très nombreuses fois.

Les astronomes appellent cette longue période les âges sombres cosmiques. Elle n’était pas sombre parce qu’elle était vide. Elle était sombre parce que rien n’y brillait encore. Imaginez un grand théâtre après la dernière représentation de la soirée. Le public est parti, les lumières sont éteintes, et la scène est silencieuse. Mais le bâtiment n’est pas vide. Les fauteuils, les rideaux et la scène sont toujours là, attendant la prochaine représentation.

Pendant les âges sombres, la gravité travaillait lentement. Là où l’Univers était très légèrement plus dense, la gravité attirait un peu plus fort. Ces endroits attiraient davantage de matière, ce qui les rendait plus denses encore, ce qui renforçait leur attraction. C’est le travail patient de la gravité : les petites différences grandissent avec le temps. La matière noire invisible se rassembla d’abord en amas, et le gaz ordinaire tomba dans ces amas, comme l’eau qui coule dans les creux du terrain.

À mesure que le gaz se rassemblait et devenait plus dense, il devenait aussi plus chaud en son centre, de la même façon que l’air se réchauffe dans une pompe à vélo quand on le comprime. Pendant longtemps, les amas de gaz grandirent sans devenir des étoiles. Puis, dans les endroits les plus denses, le gaz du centre devint si chaud et si serré qu’un nouveau type de processus commença. Des noyaux d’hydrogène se mirent à s’unir en hélium en libérant de l’énergie, selon un processus appelé fusion, que nous explorerons lors d’une nuit prochaine. Quand cela se produisit, une étoile naquit. La première lumière après les âges sombres venait de s’allumer.

Les premières étoiles

Quand les premières étoiles sont-elles apparues ? Les astronomes pensent qu’elles se sont probablement formées au cours des premières centaines de millions d’années après le commencement. Le moment exact n’est pas connu, et il a peut-être varié d’un endroit à l’autre, puisque les amas les plus denses ont dû former des étoiles en premier. Comparées à l’âge total de l’Univers, environ 13,8 milliards d’années, quelques centaines de millions d’années, c’est assez tôt. Dans l’histoire d’une longue journée de travail que nous raconterons lors de la dernière nuit, cela se situe quelque part dans la première demi-heure après minuit.

Les premières étoiles étaient probablement très différentes du Soleil. Elles étaient faites presque entièrement d’hydrogène et d’hélium, parce qu’il n’existait pas encore d’éléments plus lourds. Les éléments plus lourds aident les nuages de gaz à se refroidir et à se fragmenter en morceaux plus petits. Sans eux, les nuages de gaz de l’Univers jeune restaient probablement plus chauds et s’effondraient en masses beaucoup plus grandes. C’est pourquoi beaucoup d’astronomes pensent que les premières étoiles étaient souvent très grosses, peut-être bien des fois plus lourdes que le Soleil.

Les grosses étoiles vivent vite. Une étoile beaucoup plus lourde que le Soleil consume son combustible bien plus rapidement qu’une petite, parce que son centre est beaucoup plus chaud et plus dense. Le Soleil brille depuis environ 4,6 milliards d’années et n’en est qu’à peu près à la moitié de sa vie. Les plus grosses des premières étoiles n’ont peut-être vécu que quelques millions d’années. Puis elles ont pris fin, probablement dans de grandes explosions, et ces explosions ont dispersé dans l’espace les premiers éléments plus lourds. C’est le début d’une histoire que nous suivrons lors des nuits suivantes.

Il est important d’être honnête ici. Une grande partie de ce que nous avons dit des premières étoiles provient de calculs minutieux et de modèles informatiques, et non d’observations directes. Les astronomes sont assez sûrs que les premières étoiles étaient faites d’hydrogène et d’hélium et que beaucoup étaient grosses. Mais leur taille, leur nombre et la façon exacte dont elles se sont formées sont encore à l’étude. Différents modèles donnent des réponses quelque peu différentes. Personne n’a encore vu nettement l’une des toutes premières étoiles en étant certain de ce qu’elle était.

Les premières étoiles ont aussi eu un bel effet que les astronomes peuvent étudier. Les étoiles grosses et chaudes émettent une grande quantité de lumière intense, en bonne partie ultraviolette, ce genre de lumière qui brûle la peau par une journée ensoleillée. Cette lumière intense était capable d’arracher des électrons aux atomes d’hydrogène du gaz entourant les étoiles. Lentement, autour de chaque étoile et de chaque galaxie des débuts, grandirent des bulles de gaz aux électrons libres. Les bulles s’étendirent et se rejoignirent. Quand l’Univers eut environ un milliard d’années, la majeure partie du gaz situé entre les galaxies avait été transformée de cette façon. La lumière des premières étoiles avait dissipé le reste de l’obscurité.

Ceux qui ont regardé en arrière

Comment les astronomes cherchent-ils les premières étoiles et les premières galaxies ? La réponse remonte aux toutes premières nuits de ce livre. La lumière met du temps à voyager. Plus une chose est lointaine, plus sa lumière a voyagé longtemps pour nous atteindre, et plus nous la voyons loin dans le passé. Pour voir les galaxies les plus anciennes, les astronomes doivent observer les plus lointaines. Celles-ci sont extrêmement faibles, et il faut donc des télescopes très grands et très sensibles.

En 1990, un télescope fut placé en orbite autour de la Terre, au-dessus de l’air qui brouille la vue depuis le sol. Il s’appelle le télescope spatial Hubble, du nom de l’astronome Edwin Hubble, que nous avons rencontré lors de nuits précédentes. Au milieu des années 1990, son équipe fit quelque chose qui sembla d’abord presque du gaspillage. Elle pointa le télescope pendant de nombreux jours vers un minuscule coin de ciel qui paraissait totalement vide, un coin bien plus petit que la pleine Lune. Quand toutes les images furent additionnées, le coin vide se révéla rempli de galaxies, des milliers, dont beaucoup étaient si lointaines que leur lumière avait voyagé pendant des milliards d’années.

Mais même ce télescope avait une limite. Comme nous l’avons vu lors de la nuit des galaxies qui s’éloignent, la lumière des galaxies très lointaines est étirée par l’expansion de l’espace. Une lumière qui a quitté les premières galaxies sous forme de lumière bleue ou ultraviolette arrive aujourd’hui sous forme de lumière infrarouge, aux ondes trop longues pour nos yeux. La lumière infrarouge est celle que nous ressentons comme de la chaleur, par exemple près d’un poêle. Pour bien voir les galaxies les plus anciennes, les astronomes avaient besoin d’un télescope conçu spécialement pour la lumière infrarouge.

Ce télescope, c’est le télescope spatial James Webb. Il a été lancé en décembre 2021, après de longues années de conception et de construction par un grand nombre d’ingénieurs, de techniciens et de scientifiques. Son grand miroir était trop grand pour tenir dans une fusée ; il a donc été fait de nombreux segments qui se sont dépliés dans l’espace, comme une fleur qui s’ouvre. Comme le télescope cherche une chaleur très faible, il doit être maintenu extrêmement froid, et il porte donc un grand bouclier qui arrête la chaleur du Soleil. Et il a été envoyé bien plus loin de la Terre que la Lune, en un lieu calme où le Soleil, la Terre et la Lune restent tous du même côté, derrière le bouclier.

Le voyage lui-même fut un long travail minutieux. Le télescope mit environ un mois à atteindre sa place, et pendant ce temps, il se déplia étape par étape : le bouclier, les segments du miroir et de nombreuses pièces plus petites. Chaque étape avait été testée au sol, et chacune devait fonctionner dans l’espace, où personne ne pouvait aller le réparer. Beaucoup de ceux qui l’avaient construit suivirent ces semaines de très près, après avoir consacré des années de leur vie professionnelle à cette seule machine.

Depuis qu’il a commencé son travail, le télescope Webb a trouvé des galaxies dont la lumière les a quittées quand l’Univers n’avait que quelques centaines de millions d’années. Certaines de ces galaxies des débuts sont plus brillantes et plus développées que beaucoup d’astronomes ne s’y attendaient. Cela a lancé de vives discussions sur la rapidité avec laquelle les premières galaxies ont grandi. Ces discussions se poursuivent. C’est un bon exemple de la façon dont un nouvel instrument ne se contente pas de répondre à d’anciennes questions. Il en pose aussi de nouvelles.

Toujours à la recherche des toutes premières

Même le télescope Webb n’a pas encore vu nettement les toutes premières étoiles isolément. Les galaxies les plus anciennes qu’il voit contiennent déjà de nombreuses étoiles, et certaines de ces étoiles contiennent peut-être déjà des éléments plus lourds fabriqués par des étoiles antérieures. Les toutes premières étoiles, faites uniquement d’hydrogène et d’hélium, sont probablement trop faibles et trop lointaines pour être vues une à une. Les astronomes espèrent en trouver des signes par d’autres moyens, par exemple dans la lumière des galaxies les plus anciennes ou dans les éclairs brillants de leurs explosions.

Il existe aussi d’autres façons de chercher. L’hydrogène gazeux des âges sombres émettait lui-même un très faible signal radio. Plusieurs groupes de scientifiques construisent des instruments radio pour essayer de le détecter. C’est un travail très difficile, parce que le signal est très faible et que le bruit radio de la Terre et de notre propre galaxie est très fort. C’est un peu comme les ingénieurs de la plus ancienne lumière, qui essayaient d’entendre une voix douce dans une pièce pleine de sifflements. Personne n’a encore mesuré ce signal d’une façon qui fasse l’unanimité.

Les astronomes étudient aussi de vieilles étoiles toutes proches, dans notre propre galaxie. Certaines étoiles de la Voie lactée sont très anciennes et ne contiennent que d’infimes quantités d’éléments plus lourds. Ce ne sont pas les toutes premières étoiles, mais elles sont peut-être leurs enfants ou leurs petits-enfants, formées à partir d’un gaz qui n’avait été enrichi que par une ou quelques générations d’étoiles antérieures. En étudiant les petites quantités d’éléments plus lourds de ces vieilles étoiles, les astronomes peuvent apprendre quelque chose sur les étoiles qui les ont précédées. C’est un peu comme découvrir des arrière-grands-parents en observant l’air de famille de leurs descendants.

La recherche des premières étoiles se déroule donc en de nombreux endroits à la fois : avec des télescopes spatiaux qui regardent très loin, avec des instruments radio qui écoutent les âges sombres et avec des télescopes au sol qui étudient les plus vieilles étoiles proches. Chaque méthode donne une partie de l’image. Aucune ne donne encore l’image entière. C’est ainsi que fonctionne une grande partie de la science, à travers de nombreux petits travaux minutieux, menés par de nombreuses personnes pendant de nombreuses années, qui s’assemblent lentement.

Avant le sommeil

Avant de dormir, Noor regarda une fois encore par la fenêtre. La station survolait de nouveau la face nocturne, et cette fois, elle éteignit la lumière de la petite pièce ronde pour que ses yeux puissent s’habituer. Au bout de quelques minutes, d’autres étoiles apparurent, puis d’autres encore, jusqu’à ce que le ciel noir en soit rempli. Depuis la station, elles ne scintillaient pas. Elles brillaient d’un éclat constant, chacune étant un soleil, certaines proches et d’autres lointaines.

Ade entra en flottant sans bruit et regarda un moment à côté d’elle. Il dit que chaque fois qu’il voyait autant d’étoiles, il avait du mal à croire qu’il n’y en avait eu autrefois aucune. Noor dit qu’elle avait du mal à croire que quelqu’un ait pu le découvrir. Puis tous deux regagnèrent leurs cabines, car la journée de travail suivante commencerait tôt.

Elle écrivit à Sami : « La prochaine fois que tu prendras ta route sombre, pense à ceci. Pendant cent millions d’années ou plus, l’Univers entier était plus sombre que cette route. Puis, une à une, les premières étoiles se sont allumées, comme les premières lumières d’une ville au crépuscule. » Sami répondit que sur sa route sombre, la première lumière qu’il voit d’habitude est celle de la station-service où il achète son café, et qu’il la considérerait désormais comme une étoile.

Après une longue journée de travail, peut-être rentrez-vous vous aussi chez vous à pied ou en voiture dans l’obscurité. Quand la première lumière de votre rue ou de votre maison apparaît devant vous, c’est un petit réconfort ordinaire. L’Univers a connu sa propre version de ce moment, il y a longtemps, quand les premières étoiles ont commencé à briller dans l’obscurité. Tout ce qui est venu ensuite, les galaxies, le Soleil et la Terre, est né de ce commencement.

Idées reçues

Beaucoup de gens pensent que les âges sombres cosmiques étaient sombres parce que l’Univers était vide. Il n’était pas vide du tout. Il était rempli d’hydrogène et d’hélium gazeux, de matière noire invisible, et encore plein de la plus ancienne lumière, qui s’était alors étirée au-delà de ce que les yeux peuvent voir. Les âges sombres étaient sombres parce que rien ne brillait encore. C’était aussi une époque active, à sa manière tranquille, car la gravité attirait lentement la matière vers les amas où se formeraient les premières étoiles.

Beaucoup de gens imaginent aussi que les premières étoiles ressemblaient au Soleil. Elles étaient probablement très différentes. Elles étaient faites presque uniquement d’hydrogène et d’hélium, sans les éléments plus lourds que contient le Soleil. Beaucoup d’entre elles étaient probablement bien plus grosses et plus chaudes que le Soleil, et elles vivaient beaucoup moins longtemps. Le Soleil est une étoile bien plus tardive. Comme nous le verrons lors d’une nuit prochaine, il s’est formé à partir d’un gaz déjà enrichi par de nombreuses générations d’étoiles avant lui.

Enfin, certains croient qu’en trouvant un endroit très sombre et en levant les yeux, ils peuvent voir les premières étoiles de leurs propres yeux. Malheureusement, c’est impossible. Les premières étoiles ont pris fin il y a longtemps, et leur lumière, si elle nous parvient, est bien trop faible et trop étirée pour être vue sans les plus grands télescopes, et même ceux-ci ne les ont pas encore vues nettement. Les étoiles que vous voyez par une nuit sombre sont beaucoup plus proches et beaucoup plus jeunes, presque toutes situées dans notre propre galaxie. Mais chacune d’elles fait partie de la même longue histoire. Lors de la prochaine nuit, nous verrons comment les premiers amas d’étoiles sont devenus des galaxies, et comment quelque chose d’invisible les a aidés à grandir.