Le lait qui bout se couvre d'une peau frémissante. En observant ses mouvements, on peut deviner la force du feu sous la casserole et la teneur en matière grasse du lait. De la même manière, les astrophysiciens scrutent le fond diffus cosmologique – la plus vieille lumière qui nous parvient, émise lorsque l'Univers n'avait que 380 000 ans. Ce rayonnement n'est pas parfaitement lisse : il présente des ondulations, de minuscules variations de température. Et ces ondulations gardent la mémoire de ce qui se passait dans les tout premiers instants.
À cette époque, l'espace était rempli d'un essaim de particules légères, presque insaisissables – les neutrinos et, peut-être, d'autres encore non découvertes. Elles se déplaçaient à grande vitesse, entraient en collision, se dispersaient, et leur énergie collective influençait la façon dont l'Univers se refroidissait et s'étendait. La trace de cette influence est imprimée dans les ondulations du fond diffus. L'objectif principal est de mesurer combien de ces particules existaient exactement. Les physiciens appellent ce paramètre Neff. S'il s'avère légèrement supérieur à trois, cela signifie qu'il existe dans la nature quelque chose en plus des trois variétés connues de neutrinos.
La nouvelle étude se concentre sur le futur projet CMB-S4 – un réseau de télescopes qui scanneront le ciel pendant des années à la recherche de ces ondulations. Les auteurs ont calculé avec quelle précision différentes configurations de télescopes pourraient mesurer Neff. La meilleure configuration envisagée atteindrait, après sept ans d'observations, une incertitude inférieure à 0,03. Cela suffirait pour détecter de manière fiable ne serait-ce qu'un nouveau type de particules fantômes. Pour comparaison, ils ont également calculé la limite idéale, inaccessible en pratique – ce que l'on pourrait voir si les télescopes captaient tout le signal possible sans interférences. Cela montre où l'on peut encore progresser.
Une mesure aussi précise de Neff n'est pas simplement une chasse au record. Elle relie plusieurs époques : les premières fractions de seconde, où les particules sont nées ; les premières minutes, où les noyaux des éléments légers ont commencé à se former à partir de protons et de neutrons ; et ces 380 000 ans, quand la lumière a enfin pu voyager librement à travers l'espace refroidi. Pour revenir à notre casserole : en observant les frémissements de la peau du lait, on pourra désormais dire non seulement la force du feu, mais aussi s'il y avait un ingrédient secret ajouté au tout début.
Les neutrinos sont si omniprésents que chaque seconde, environ 100 milliards de ces particules provenant du Soleil traversent l'ongle de votre pouce, sans que vous vous en aperceviez.