Résumé :
L'intersection de l'astronomie et de la physique des particules a récemment permis d'obtenir des résultats importants. Une équipe de recherche internationale composée d'astrophysiciens a obtenu les dernières données de mesure de l'abondance de l'hélium primordial (hélium-4) dans l'univers primitif grâce à des observations spectroscopiques de haute précision de galaxies naines à métallicité extrêmement faible.
Ces données, précises à la troisième décimale près, fournissent non seulement des contraintes d'observation plus strictes pour comprendre le processus de nucléosynthèse dans les cinq premières minutes après le Big Bang, mais fournissent également une vérification extrêmement critique du modèle cosmologique standard traditionnel et de l'hypothèse de la physique des particules élémentaires.
Selon la théorie standard de la nucléosynthèse du Big Bang (BBN), dans les trois à cinq minutes suivant la naissance de l'univers, alors que la température et la densité chutaient en raison d'une violente expansion, les protons et les neutrons se sont combinés pour former les premiers éléments légers de l'univers, dont la plupart étaient de l'hydrogène et de l'hélium-4, avec de très petites quantités de deutérium et de lithium. Étant donné que les étoiles continueront à produire de l'hélium supplémentaire grâce à la fusion nucléaire au cours des milliards d'années d'évolution qui suivront, pour explorer la véritable composition chimique de l'univers au début, les astronomes doivent rechercher des nuages de gaz primordiaux et des galaxies naines pauvres en métaux qui ne sont presque pas contaminées par l'évolution des étoiles ultérieures pour l'analyse spectrale.
À l'aide d'un grand télescope optique à Hawaï et d'un spectromètre Echelle haute résolution avancé, l'équipe de recherche a effectué des expositions et des observations à long terme et en profondeur de plusieurs galaxies naines extrêmement pauvres en métaux, situées à des centaines de millions d'années-lumière de la Terre. En calculant avec précision l'intensité du rayonnement de fluorescence émis par l'hélium ionisé et l'hydrogène gazeux dans la galaxie, et en déduisant strictement les erreurs systématiques telles que l'extinction de la poussière interstellaire et l'interférence du vent stellaire, les chercheurs ont réussi à verrouiller avec précision la fraction massique de l'élément hélium d'origine dans une plage étroite sans précédent.
Cette mesure de haute précision de l'abondance de l'hélium brut est en bon accord avec les valeurs standards prédites à partir des observations du fond cosmique micro-ondes (CMB) par le satellite Planck de l'Agence spatiale européenne. Ce haut degré de cohérence entre les données d'observation couvrant différentes époques de l'évolution et basées sur des mécanismes physiques complètement différents confirme une fois de plus fortement l'exactitude du modèle standard du Big Bang et prouve que la compréhension actuelle de l'humanité des conditions physiques extrêmes de l'univers primitif est exacte dans son ensemble.
Cependant, les chercheurs ont également souligné que des écarts de mesure extrêmement faibles laissent encore de la place à l'exploration potentielle d'une nouvelle physique. En substituant cette mesure précise aux équations thermodynamiques de l’univers primitif, l’équipe de recherche a pu fixer des limites supérieures plus strictes concernant le nombre d’espèces de neutrinos dans l’univers primitif, l’asymétrie des neutrinos et la présence de particules cachées légères inconnues telles que les neutrinos stériles ou le rayonnement sombre. Les experts de l'industrie ont commenté qu'avec la prochaine génération de télescopes optiques géants de 30 mètres mis en service à l'avenir, la précision des mesures de l'abondance des éléments d'origine sera encore améliorée, et cela devrait devenir un point d'appui clé pour permettre aux humains d'exploiter de nouvelles lois physiques au-delà du modèle standard.
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