Le rayonnement fossile est la lueur résiduelle du Big Bang, que nous observons sur les ondes millimétriques. Mais il possède aussi une traîne de grandes longueurs d'onde qui s'étend dans le domaine radio. Sur des longueurs d'onde supérieures à 21 centimètres, cette lumière commence à être absorbée par l'hydrogène neutre dispersé dans l'espace lointain. L'hydrogène agit comme un verre semi-transparent : une partie des photons s'y retrouve piégée, et la carte du ciel à ces fréquences devient légèrement plus lisse que prévu.
L'effet dépend de deux choses : la température du gaz (sa température de spin) et la quantité d'atomes neutres par rapport aux atomes ionisés. Plus l'hydrogène est froid, plus il absorbe. Le pic d'absorption se situe autour de 100 mégahertz, ce qui correspond à l'époque des « âges sombres », avant l'allumage des premières étoiles. La fraction de lumière absorbée peut atteindre plusieurs pour cent.
La réception directe d'un signal radio aussi faible est une tâche à la limite du possible. Mais les auteurs de l'étude proposent une voie détournée : comparer les cartes radio avec les cartes précises du rayonnement fossile en ondes millimétriques. Si la carte radio montre un léger lissage, mais pas la carte millimétrique, cela signifie que l'hydrogène absorbe effectivement. Cette analyse croisée pourrait être plus simple que de capter la propre émission de l'hydrogène.
Cette approche offre un nouveau moyen de mesurer le rapport entre la fraction d'hydrogène neutre et sa température de spin à différentes époques. C'est important pour comprendre comment le gaz s'est réchauffé dans l'Univers primordial et quand les premières étoiles se sont allumées. En somme, nous obtenons un thermomètre et un compteur d'atomes pour des temps où l'Univers était sombre et froid.
tel que rédigé par les auteurs, en anglais arXiv:2605.22934
At wavelengths longer than 21 cm, photons from the long-wavelength tail of the cosmic microwave background (CMB) have a non-zero probability of being absorbed by distant neutral hydrogen. This provides an additional suppression of the observed CMB clustering in addition to the usual Thomson scattering. The optical depth as a function of frequency is sensitive to the 21 cm spin temperature $$T_s$$ of the gas as a function of cosmic time, with the excess optical depth peaking at a level of a few percent around 100 MHz. The details depend on the specifics of the heating of cosmic gas and the evolution of the neutral fraction $$x_{HI}$$. It is likely difficult to detect the CMB at these long radio wavelengths, but the cause is aided by the ability to cross-correlate with the already well-characterized fluctuations at cm/mm frequencies. We find that detecting CMB fluctuations at radio wavelengths corresponding to the 21 cm ``dark ages'' in cross-correlation with mm-wave maps may be easier than detecting the intrinsic 21 cm fluctuations. Measurement of the amplitude of CMB fluctuations as a function of radio wavelength provides a path for a new type of direct measurement of the combination $$x_{HI}/T_s$$ as a function of redshift.
La longueur d'onde de 21 cm est la « balise radio » naturelle de l'hydrogène, due au retournement du spin de l'électron. Les astronomes l'utilisent pour cartographier les galaxies.
Dans le roman « Contact » de Carl Sagan, le signal à la fréquence de l'hydrogène devient la clé pour déchiffrer le message d'une civilisation extraterrestre.