Toute la lumière produite par les étoiles : une équipe d’astrophysiciens a réussi à compter le nombre de photons produits dans l’univers

Étant donné que tout est parti d’une singularité, il ne devrait pas vraiment être surprenant que le nombre de photons produits par l’univers soit fini, et il l’est d’une certaine manière. Encore plus surprenant, c’est cette nouvelle qu’une équipe d’astrophysiciens a réussi à les compter.

Dans une étude publiée cette semaine, des chercheurs dirigés par Marco Ajello (dans l’image d’entête) du Clemson College of Science (université de Clemson/ Caroline du Sud/ États-Unis), rapportent que le nombre total de photons produits dans les 13,7 milliards d’années depuis le Big Bang est de 4×10^{84, soit} 4 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 photons.

Pour arriver à ce chiffre, Ajello et ses collègues ont utilisé les données du Fermi Gamma-ray Space Telescope de la NASA. Ce télescope mesure les rayons gamma et leur interaction avec la poussière interstellaire d’un nuage cosmique et toute la lumière ultraviolette, visible et infrarouge émise par les étoiles. Les chercheurs s’intéressaient particulièrement aux signaux de rayons gamma provenant de 739 galaxies contenant des trous noirs supermassifs, connus sous le nom de blazars.

En mesurant les niveaux de photons gamma contenus dans les jets ultra-rapides produits par les blazars, il était possible d’estimer non seulement la densité du brouillard cosmique environnant à un endroit donné, mais aussi de le calculer à un moment donné de l’histoire de l’univers.

Représentation artistique d’un blazar. Le trou noir supermassif au centre du disque d’accrétion envoie un jet étroit de matière à haute énergie dans l’espace, perpendiculaire au disque. (DESY/ Science Communication Lab)

Selon M. Ajello :

Les photons gamma qui traversent un brouillard de lumière stellaire ont une grande probabilité d’être absorbés.

En mesurant le nombre de photons absorbés, nous avons pu mesurer l’épaisseur du brouillard et aussi, en fonction du temps, la quantité de lumière dans toute la gamme des longueurs d’onde.

Cette gamme, sans compter les rayons gamma, est connue sous le nom de lumière de fond extragalactique (EBL pour Extragalactic Background Light) et, jusqu’à récemment, sa densité ne pouvait être estimée qu’approximativement. Grâce au télescope Fermi, les calculs sont maintenant beaucoup plus précis.

Cette carte de l’ensemble du ciel montre l’emplacement des 739 blazars utilisés par le télescope spatial à rayons gamma Fermi pour mesurer la lumière de fond extragalactique (EBL). Le fond montre le ciel tel qu’il apparaît dans les rayons gamma avec des énergies supérieures à 10 milliards d’électrons-volts, construits à partir de 9 années d’observations par le télescope à grande surface de Fermi. Le plan de notre galaxie de la Voie lactée s’étend au milieu de la carte. (NASA/DOE/Fermi LAT Collaboration)

Selon Vaidehi Paliya, coauteur de l’étude :

En utilisant des blazars à différentes distances de nous, nous avons mesuré la lumière totale des étoiles à différentes périodes.

Nous avons mesuré la lumière totale des étoiles de chaque époque, il y a 1 milliard d’années, 2 milliards d’années, 6 milliards d’années, et ainsi de suite, jusqu’au moment où les étoiles se sont formées. Cela nous a permis de reconstruire l’EBL et de déterminer l’histoire de la formation des étoiles de l’univers d’une manière plus efficace que ce qui avait été réalisé auparavant.

Le résultat n’a pas seulement fourni l’estimation la plus précise de l’EBL à ce jour, mais il a également révélé son histoire cosmique avec force de détails. Le coauteur Dieter Hartmann appelle cela une percée majeure dans le domaine.

La formation des étoiles est un grand cycle cosmique et le recyclage de l’énergie, de la matière et des métaux. C’est le moteur de l’univers. Sans l’évolution des étoiles, nous n’aurions pas les éléments fondamentaux nécessaires à l’existence de la vie.

L’autre point que l’étude met en évidence est que, malgré le nombre ahurissant de photons produits depuis ses débuts, l’univers est, relativement parlant, un endroit plutôt peu lumineux.

Ajello et ses collègues calculent qu’une fois le soleil et le reste de la Voie lactée exclus, la quantité de lumière qui atteint la Terre à partir du reste du cosmos est équivalente à celle produite par une ampoule de 60 watts observée à environ 4 kilomètres de distance.

 

L’étude publiée dans Science : A gamma-ray determination of the Universe’s star formation history et présentée sur le site  du Clemson College of Science : Clemson scientists measure all of the starlight ever produced by the observable universe de la NASA : NASA’s Fermi Traces the History of Starlight Across the Cosmos.