Au pôle Sud, où l'air est sec et transparent aux ondes millimétriques, se dresse un télescope qui ne regarde pas les étoiles, mais la lumière la plus ancienne de l'Univers. Cette lumière, c'est le fond cosmique micro-onde, le rayonnement refroidi après le Big Bang qui remplit tout le ciel. Comme sur une vieille photographie, il conserve les minuscules irrégularités de température, traces des fluctuations quantiques étirées par l'inflation à des échelles cosmiques.

Le télescope SPT-3G a collecté cette lumière pendant deux ans à trois fréquences — 95, 150 et 220 GHz — couvrant une région du ciel de 1646 degrés carrés, soit environ huit pleines Lunes. Les scientifiques ont mesuré comment la température du fond varie d'un point à l'autre sur des échelles angulaires de 2 à 13 minutes d'arc. Ces variations, ou spectre de puissance, contiennent des informations sur ce qui est arrivé au rayonnement en chemin : le gaz chaud dans les amas de galaxies réchauffe légèrement les photons (effet Sunyaev-Zel'dovich), l'émission radio des galaxies ajoute son bruit, et la poussière des galaxies lointaines brille dans l'infrarouge.

Pour isoler la contribution de chaque source, les scientifiques ont dû construire des modèles complexes. Il s'est avéré que le résultat dépend fortement de la corrélation entre l'effet Sunyaev-Zel'dovich thermique et le fond infrarouge cosmique. Lorsque les auteurs ont laissé les dépendances angulaires de ces signaux varier librement, ils ont obtenu, à ℓ=3000 (ce qui correspond à un angle d'environ 3,4 minutes d'arc), une puissance de l'effet thermique de 4,91±0,37 µK² et de l'effet cinématique de 1,75±0,86 µK² à la fréquence de 143 GHz. Ces nombres sont comme des empreintes digitales qui permettent d'identifier la quantité de gaz chaud dans les amas et la vitesse de son mouvement.

L'effet Sunyaev-Zel'dovich cinématique est particulièrement intéressant : il provient du mouvement d'ensemble des amas et ne dépend pas de la température du gaz. En mesurant sa puissance, les scientifiques ont estimé la durée de l'époque de réionisation — la période où les premières étoiles et galaxies ont ionisé l'hydrogène neutre qui remplissait l'Univers après son refroidissement. Il s'est avéré que la transition de 25% à 75% d'ionisation a pris moins de Δz=3,8 (selon le modèle semi-analytique), et de 5% à 95% moins de Δz=6,1 (selon les simulations AMBER). Cela signifie que la réionisation a été assez rapide : comme si on allumait une bougie dans une pièce sombre et qu'elle éclairait tout l'espace en peu de temps, au lieu de couver progressivement.

Ces contraintes sont importantes pour comprendre quand et comment se sont formées les premières étoiles et galaxies. Si la réionisation a été rapide, cela signifie que les étoiles sont nées en masse et ont efficacement ionisé le gaz environnant. Si elle s'était étalée sur des centaines de millions d'années, le scénario aurait été différent. Les nouvelles données de SPT-3G réduisent le champ des possibles pour les théoriciens, obligeant les modèles de l'Univers primitif à être plus précis.

Le télescope au pôle Sud continue d'accumuler des données, et à l'avenir, en ajoutant encore des années d'observations, les scientifiques pourront mesurer le spectre de puissance avec encore plus de précision et peut-être voir des détails subtils actuellement cachés dans le bruit. En attendant, chaque nouvelle série de données est comme le développement d'une vieille photographie : l'image devient de plus en plus nette, et nous voyons à quoi ressemblait l'Univers dans ses premiers instants.