À travers le brouillard : comment les électrons libres estompent la lumière ancienne ✛

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Imaginez que vous regardez une chaîne de montagnes lointaine à travers le brouillard matinal. Les contours des sommets sont flous, et si le brouillard est hétérogène, certains versants se perdent plus que d'autres. C'est à peu près ainsi que les astronomes perçoivent la lumière ancienne de l'Univers, qui met 13,8 milliards d'années à nous parvenir.

Cette lumière est née alors que l'Univers n'avait que 380 000 ans, bien avant les premières étoiles. Depuis, elle voyage à travers le cosmos, et sur son chemin, elle rencontre des nuages d'électrons libres, des particules arrachées à leurs atomes. Chaque électron disperse légèrement la lumière, comme une gouttelette de brouillard disperse le faisceau d'une lampe de poche. En conséquence, l'image du ciel que voit le télescope est légèrement plus floue qu'elle ne l'était à l'origine. Les physiciens appellent cela l'écrantage anisotrope.

Mais il existe un second effet, encore plus subtil. Certains champs hypothétiques qui pourraient exister dans l'Univers sont capables de faire légèrement tourner le plan d'oscillation de l'onde lumineuse. C'est comme si le brouillard non seulement estompait les montagnes, mais aussi les faisait légèrement changer de couleur à différents endroits. Ce phénomène est appelé biréfringence cosmique.

Pour détecter ces deux effets, l'équipe a utilisé les données de la sixième publication du télescope ACT, installé dans le désert d'Atacama à 5190 mètres d'altitude. Le télescope a couvert 23 % du ciel avec une résolution de 1,4 minute d'arc, ce qui équivaut à distinguer une pièce de monnaie à plusieurs kilomètres de distance. Les données ont été divisées en quatre parties indépendantes et comparées entre elles afin que le bruit de l'instrument ne produise pas un faux signal.

Résultat : ni l'estompage ni la rotation n'ont été détectés. Pour l'estompage, une limite supérieure de Aτ < 450 a été établie, soit environ cent fois plus faible que ce que prédisent les modèles de réionisation. Pour la rotation, la limite est ACB < 0,15, ce qui contraint la force d'interaction des champs hypothétiques avec les photons. Le brouillard s'est avéré trop transparent pour être détecté par les instruments actuels.

Mais la méthode de recherche elle-même s'est révélée précieuse. Pour la première fois, des données à petite échelle d'un télescope au sol ont été appliquées à l'estompage, et il s'est avéré que les interférences des galaxies lointaines ne sont pas simplement du bruit, mais une erreur systématique dont il faut tenir compte. La prochaine génération de télescopes, comme l'Observatoire Simons, pourra utiliser la polarisation de la lumière pour contourner ce problème. Et alors, le brouillard révélera peut-être enfin ses contours.