Recombinaison

La recombinaison cosmologique désigne la formation d’atomes neutres à mesure que le jeune univers se refroidit. L’étape concernant l’hydrogène est étroitement liée à la dernière diffusion du fond diffus cosmologique, environ 380 000 ans après le Big Bang. En raréfiant les électrons libres, elle permet aux photons déjà présents de se propager beaucoup plus librement.

Un univers qui se refroidit

Dans le plasma primordial, les électrons et les noyaux étaient principalement séparés. Les photons énergétiques pouvaient ioniser les atomes qui se formaient. Avec l’expansion et le refroidissement, cet équilibre évolue progressivement vers un gaz surtout neutre. La recombinaison n’est donc ni instantanée ni déclenchée par un unique seuil identique pour tous les éléments.

La formation des premiers atomes

L’hélium se recombine en plusieurs étapes, avant l’essentiel de l’hydrogène. Vers l’époque où le rayonnement est à quelques milliers de kelvins, les protons capturent durablement des électrons et l’hydrogène devient majoritairement neutre. Une fraction résiduelle reste ionisée. Les proportions souvent citées d’environ 75 % d’hydrogène et 25 % d’hélium concernent la masse, pas le nombre d’atomes.

Lien avec le fond diffus cosmologique

Le fond diffus cosmologique est surtout constitué de photons thermiques présents avant la recombinaison, dont la dernière diffusion nous renseigne sur cette époque. La formation des atomes produit aussi un faible rayonnement spécifique, mais ce n’est pas lui qui constitue l’essentiel du fond diffus. Les fluctuations de celui-ci gardent la trace de l’état du plasma primordial.

Le saviez-vous ?

Le mot « recombinaison » vient du vocabulaire de la physique des plasmas : un ion et un électron se lient pour former un état moins ionisé. Dans le contexte cosmologique, il désigne l’établissement durable d’une population d’atomes neutres ; le préfixe ne suppose pas une époque antérieure où tout l’univers aurait déjà été neutre.

Questions fréquentes

Quelle est la différence entre recombinaison et découplage ?

La recombinaison décrit l’évolution de l’état d’ionisation de la matière. Le découplage décrit la raréfaction des diffusions qui empêche le rayonnement de rester fortement couplé au plasma. Les deux processus sont liés, sans être rigoureusement instantanés ni synonymes. Les photons peuvent encore rencontrer de la matière sur leur trajet ultérieur.

L’hydrogène s’est-il formé entièrement lors de la recombinaison ?

Non complètement. La recombinaison est graduelle et laisse une faible fraction d’électrons libres. Bien plus tard, le rayonnement des premières sources lumineuses réionise progressivement le gaz intergalactique. Cette réionisation est une autre étape de l’histoire cosmique, qui s’étend sur une période plutôt qu’à une date unique.

Après la recombinaison, l’univers était-il éclairé ?

Pas encore par des étoiles. La recombinaison précède les premières étoiles. Pendant les âges sombres, la matière peut commencer à se rassembler sous l’effet de la gravité, mais aucune population stellaire n’éclaire encore le cosmos. Le fond diffus poursuit son refroidissement. L’apparition des premières étoiles met fin à cette période, selon une chronologie encore étudiée.