L'invention du scanner CAT a conduit à une révolution dans le diagnostic médical. Lorsque les rayons X ne donnent qu'une vue plate et bidimensionnelle du corps humain, un balayage CAT fournit une vue tridimensionnelle plus révélatrice. Pour ce faire, les scans CAT prennent de nombreuses «tranches» virtuelles par voie électronique et les assemblent en une image 3D.
Maintenant, une nouvelle technique qui ressemble aux tomodensitogrammes, connue sous le nom de tomographie, est sur le point de révolutionner l'étude du jeune univers et la fin des «âges sombres» cosmiques. Dans le numéro de Nature du 11 novembre 2004, les astrophysiciens J. Stuart B. Wyithe (Université de Melbourne) et Abraham Loeb (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics) ont calculé la taille des structures cosmiques qui seront mesurées lorsque les astronomes seront effectivement prendre des images de scan CAT de l'univers primitif. Ces mesures montreront comment l'univers a évolué au cours de son premier milliard d'années d'existence.
«Jusqu'à présent, nous avons été limités à un seul instantané de l'enfance de l'univers - le fond des micro-ondes cosmiques», explique Loeb. "Cette nouvelle technique nous permettra de voir un album entier plein de photos de bébé de l'univers. Nous pouvons regarder l'univers grandir et mûrir. »
Espace de découpage
Le cœur de la technique de tomographie décrite par Wyithe et Loeb est l'étude du rayonnement de 21 centimètres de longueur d'onde provenant d'atomes d'hydrogène neutres. Dans notre propre galaxie, ce rayonnement a aidé les astronomes à cartographier le halo sphérique de la Voie lactée. Pour cartographier le jeune univers éloigné, les astronomes doivent détecter un rayonnement de 21 cm qui a été décalé vers le rouge: étiré vers des longueurs d'onde plus longues (et des fréquences plus basses) par l'expansion de l'espace lui-même.
Redshift est directement corrélé à la distance. Plus un nuage d'hydrogène est éloigné de la Terre, plus son rayonnement est décalé vers le rouge. Par conséquent, en regardant une fréquence spécifique, les astronomes peuvent photographier une «tranche» de l'univers à une distance spécifique. En parcourant de nombreuses fréquences, ils peuvent photographier de nombreuses tranches et créer une image tridimensionnelle de l'univers.
«La tomographie est un processus compliqué, c'est une des raisons pour lesquelles elle n'a pas été effectuée auparavant à des décalages vers le rouge très élevés», explique Wyithe. "Mais c'est aussi très prometteur car c'est l'une des rares techniques qui nous permettra d'étudier le premier milliard d'années de l'histoire de l'univers."
Un univers de bulles de savon
Le premier milliard d'années est critique car c'est à ce moment que les premières étoiles ont commencé à briller et que les premières galaxies ont commencé à se former en amas compacts. Ces étoiles brûlaient chaudement, émettant d'énormes quantités de lumière ultraviolette qui ionisaient les atomes d'hydrogène à proximité, séparant les électrons des protons et éliminant le brouillard de gaz neutre qui remplissait l'univers primitif.
Les jeunes amas de galaxies ont rapidement été entourés de bulles de gaz ionisé, un peu comme des bulles de savon flottant dans une cuve d'eau. À mesure que la lumière ultraviolette inondait l'espace, les bulles grossissaient et se confondaient progressivement. Finalement, environ un milliard d'années après le Big Bang, tout l'univers visible a été ionisé.
Pour étudier le premier univers lorsque les bulles étaient petites et le gaz presque neutre, les astronomes doivent prendre des tranches dans l'espace comme s'ils tranchaient un bloc de fromage suisse. Loeb dit que, tout comme pour le fromage, "si nos tranches de l'univers sont trop étroites, nous continuerons à frapper les mêmes bulles. La vue ne changera jamais. »
Pour obtenir des mesures vraiment utiles, les astronomes doivent prendre de plus grosses tranches qui frappent différentes bulles. Chaque tranche doit être plus large que la largeur d'une bulle typique. Wyithe et Loeb calculent que les plus grosses bulles individuelles ont atteint des tailles d'environ 30 millions d'années-lumière dans le premier univers (équivalent à plus de 200 millions d'années-lumière dans l'univers élargi d'aujourd'hui). Ces prédictions cruciales guideront la conception d'instruments radio pour mener des études tomographiques.
Les astronomes vont bientôt tester les prévisions de Wyithe et Loeb en utilisant un ensemble d’antennes réglées pour fonctionner aux fréquences de 100 à 200 mégahertz d’hydrogène décalé de 21 cm vers le rouge. Il est extrêmement difficile de cartographier le ciel à ces fréquences en raison des interférences d'origine humaine (TV et radio FM) et des effets de l'ionosphère terrestre sur les ondes radio à basse fréquence. Cependant, les nouvelles technologies électroniques et informatiques à faible coût permettront une cartographie approfondie avant la fin de la décennie.
«Les calculs de Stuart et Avi sont magnifiques, car une fois que nous aurons construit nos matrices, les prédictions seront simples à tester alors que nous prenons nos premiers aperçus du premier univers», explique le radio-astronome Smithsonian Lincoln Greenhill (CfA).
Greenhill travaille à créer ces premiers aperçus grâce à une proposition visant à équiper le Very Large Array de la National Science Foundation des récepteurs et de l'électronique nécessaires, financés par le Smithsonian. «Avec de la chance, nous créerons les premières images des coquilles de matière chaude autour de plusieurs des plus jeunes quasars de l'univers», explique Greenhill.
Les résultats de Wyithe et Loeb aideront également à guider la conception et le développement d'observatoires radio de nouvelle génération en cours de construction, tels que le projet européen LOFAR et un réseau proposé par une collaboration américano-australienne pour la construction dans l'arrière-pays radio-silencieux de Australie occidentale.
Source d'origine: communiqué de presse de Harvard CfA
