Résumé
Dans cette première séance, la théorie de la ré-ionisation est développée, et illustrée par des simulations cosmologiques. La dernière surface de diffusion, ou la recombinaison, correspond au redshift de z = 1 000 et à la température de 3 000 K (T(CMB) = 2,73 (1 + z)). À cette date, il faudrait avoir déjà des fluctuations avec une amplitude de l’ordre de 10−3 dans la matière sombre, si l’on veut expliquer l’existence de structures très fortement non linéaires aujourd’hui. Pourtant les fluctuations mesurées dans le fonds cosmologique micro-onde ne sont que de 10−6. De plus, grâce au Hubble Space Telescope (HST), et son champ ultra-profond, nous pouvons observer les premières galaxies vers z = 10, lorsque l’Univers n’avait que 500 millions d’années. D’autres contraintes pour cerner l’époque de réionisation nous viennent des absorptions devant les quasars. Lorsque l’espace entre les galaxies est encore rempli d’atomes, ces derniers absorbent tous les photons d’énergie suffisante pour ioniser l’hydrogène (13,6 eV ou 912 AA), et dans le spectre du quasar, on voit l’effet de Gunn-Peterson, c’est-à-dire une absorption totale, pour les quasars de z = 5 − 6. Pour les quasars plus proches, uniquement une forêt Lyman-alpha est produite par l’absorption du gaz atomique au voisinage des galaxies. Le potentiel d’ionisation de l’hélium est plus élevé que celui de l’hydrogène, l’hélium ne se réionise que bien plus tard. La réionisation est lente au départ, il y a peu d’étoiles et surtout la densité n de l’Univers est élevée, en (1 + z)3, et le taux de recombinaisons est en n2. Puis, elle s’emballe très vite, la densité diminue et le nombre d’étoiles et de galaxies augmente. Le nombre d’électrons sur la ligne de visée est un diagnostic de la durée de l’époque de la réionisation, car les électrons diffusent les photons du fonds cosmologique. L’observatoire spatial WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) et PLANCK indiquent ainsi que la réionisation doit être terminée à z ~ 6. Les simulations numériques doivent prendre en compte non seulement le traitement radiatif pour l’ionisation de l’hydrogène, en plus de la dynamique et la formation d’étoiles, mais aussi comment l’hydrogène est excité, afin de prédire le signal à basse fréquence (ondes métriques et décimétriques) pour explorer l’époque de réionisation.
