L'âge sombre

Auteurs: Sylvain Fouquet, François Hammer

Effondrement gravitationnel

Simulation cosmologique de gaz et de matière noire montrant l'effondrement du gaz et de la matière noire du décalage spectral 100 à 25, durant l'âge sombre. A z = 100, on retrouve une très faible inhomogénéité de densité. Après z = 100, les inhomogénéités sont trop grandes pour utiliser un modèle linéaire pour décrire l'évolution, d'où les simulations. Les premières structures baryoniques, étoiles et galaxies, apparaissent après z = 25.

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La première image de l'univers est donnée par l'observation du Fond Diffus Cosmologique 380 000 ans après le Big Bang (voir FDC). La grande homogénéité et isotropie de l'univers permet d'utiliser des lois analytiques et la physique linéaire pour prédire l'évolution de sa densité. Les fluctuations de densité, notées $\delta(r, t)$ , dépendant du temps et de la position, sont très petites (1 partie pour 100 000) devant la densité moyenne de l'univers, notée $\rho(t)$ et ne dépendant que du temps. Tandis que cette densité moyenne chute avec l'expansion de l'univers d'après la loi $\rho(t) = \rho_{rec} / a(t)^3$ , les fluctuations croissent linéairement avec la baisse de la température, $\delta(r, z) = \delta_{rec}\, \frac{1+z_{rec}}{1 +z}$ . L'indice "rec" dénote les conditions au moment de la recombinaison. Les fluctuations deviennent non négligeables pour des décalages spectraux proches de 100. A cette époque, la physique linéaire doit être remplacée par une physique non linéaire. Pour ce faire les astronomes utilisent des simulations cosmologiques. Cette période de croissance linéaire a duré près de 16 millions d'années.

Du décalage spectral 100 à 25, c'est à dire de 16 à 132 millions d'années, les inhomogénéités de l'univers augmentent sans rencontrer de force pour les en empêcher, pas de pression lumineuse ni de force de pression mécanique, les collisions entre les atomes sont rares et peu énergétiques. L'univers reste sous la forme d'un gaz majoritairement composé en masse d'Hydrogène (75%) et d'Hélium (25%) avec un peu de Lithium et de Deutérium (voir cours sur la nucléosynthèse primordiale). Les galaxies, les étoiles, les planètes, tous les objets astronomiques connus dans l'univers proche n'existent pas encore. Cette époque qui dura presque 150 millions d'années, sans étoile et sans création de lumière, est appelée l'âge sombre.