La collaboration MeerKLASS vient de publier la première mesure directe de la répartition à grande échelle de l'hydrogène neutre dans l'Univers. Le signal a été émis il y a environ 4,5 milliards d'années. Pour l'extraire, les chercheurs ont utilisé les 64 antennes du radiotélescope sud-africain MeerKAT, chacune comme un télescope indépendant. La détection atteint 6,2 sigma. L'article paraît dans Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Un murmure 10 000 fois plus faible que le vacarme du ciel

L'hydrogène neutre est l'élément le plus abondant de l'Univers. C'est le gaz froid qui alimente la formation des étoiles, et il remplit l'espace entre les galaxies. Sa répartition dessine la toile cosmique, ce réseau de filaments et de vides qui structure l'Univers à très grande échelle. Jusqu'ici, les cosmologistes la cartographiaient en repérant des galaxies une par une. MeerKLASS mesure autre chose, l'émission de l'hydrogène elle-même, sans passer par les galaxies.

Le signal observé vient de loin. Le décalage vers le rouge de la mesure vaut 0,42. Ce décalage mesure l'étirement de la lumière par l'expansion de l'Univers. Plus une lumière voyage longtemps, plus son onde s'allonge, et plus le décalage est grand. Un décalage de 0,42 correspond à un signal émis il y a environ 4,5 milliards d'années, quand l'Univers avait un peu plus de 9 milliards d'années.

La difficulté tient en un nombre, environ 10 000. Les émissions parasites du ciel, celles des galaxies, du gaz galactique et des sources radio, sont environ 10 000 fois plus fortes que le signal d'hydrogène. L'équipe compare l'exercice à suivre une conversation chuchotée au premier rang d'un concert de rock. La solution tient en un mot, recouper. Les 64 antennes produisent des cartes indépendantes, prises à des moments différents. Le signal cosmique revient au même endroit dans toutes les cartes. Les défauts propres à une antenne ou à une nuit, eux, changent d'une carte à l'autre. En comparant les cartes entre elles, les chercheurs font ressortir ce qui est commun et effacent le reste.

Résultat, une détection à 6,2 sigma, dans un article publié le 3 novembre 2026. En physique, un signal de ce niveau suffit pour parler de découverte. Une probabilité aussi faible de tomber sur une fluctuation du bruit par hasard, c'est ce qui distingue une vraie mesure d'une coïncidence.

Une grande antenne parabolique blanche SKA-Mid au premier plan, entourée de véhicules de maintenance, avec des antennes MeerKAT en arrière-plan.
L'antenne SKA-Mid photographiée sur le site du Karoo, avec des antennes MeerKAT en arrière-plan. Le réseau MeerKAT, dont les 64 antennes ont fourni les données de MeerKLASS, occupe le même site que le futur SKA-Mid. Crédit : SKAO.

Comment on entend l'hydrogène

Tout commence par un atome. L'hydrogène neutre, un proton et un électron, émet naturellement une onde radio très longue, de 21 centimètres. Sa fréquence au repos est de 1420 mégahertz. Cette raie est faible, mais elle est partout, car l'hydrogène est partout. En voyageant, la lumière s'étire avec l'expansion de l'Univers. Sa longueur d'onde dit donc à quelle époque elle a été émise. C'est un peu comme reconnaître une voix familière dont le timbre baisse à mesure qu'elle s'éloigne.

Dans les données de MeerKLASS, la raie est arrivée entre 971,2 et 1023,6 mégahertz. L'écart avec 1420 mégahertz code le décalage de 0,42. Pour cartographier le ciel, l'équipe n'a pas cherché des galaxies individuelles. Elle a mesuré l'intensité totale de la raie dans de grands pixels. Cette technique s'appelle la cartographie d'intensité. Elle revient à écouter le brouhaha d'une foule plutôt que les voix une par une, et ce brouhaha suffit à savoir où la foule se trouve.

Reste l'instrument. Les radiotélescopes combinent d'ordinaire leurs antennes en un interféromètre, une technique qui fait interférer les signaux pour obtenir une image très fine. Mais un interféromètre perd les grandes structures diffuses, justement celles qui intéressent la cosmologie. MeerKLASS a donc pris le problème à l'envers. Chaque parabole de 13,5 mètres a balayé le ciel pour elle-même. On perd en finesse, on gagne en vitesse et en accès aux grandes échelles.

La campagne de 2021 a couvert environ 236 degrés carrés de ciel, répartis en 41 blocs d'environ 1,5 heure. Environ 60 heures de données ont été conservées, ramenées à environ 40 après le filtrage des interférences radio. Le communiqué de l'Université de Portsmouth arrondit à 250 degrés carrés, soit à peu près 1 250 fois la surface de la pleine Lune. L'article scientifique, lui, retient 236 degrés carrés. C'est la même mesure, vue avec deux précisions différentes.

Schéma en quatre étapes : l'hydrogène émet une onde radio, l'expansion l'étire, chaque antenne balaie le ciel, puis les cartes se recoupent pour faire ressortir le signal.
Le mécanisme en quatre étapes. Le signal cosmique est commun à toutes les cartes indépendantes, le bruit et les parasites ne le sont pas. Schéma : Tracker-1, d'après MeerKLASS Collaboration, MNRAS 2026.
Le centre de la Voie lactée vu par MeerKAT en ondes radio, avec un encart infrarouge du James Webb en haut à droite.
Le centre de la Voie lactée vu par MeerKAT en ondes radio, avec un encart du James Webb en infrarouge. Le champ principal montre le centre galactique, l'encart la région de Sagittarius C. Illustration de la sensibilité de MeerKAT, pas la carte d'hydrogène de MeerKLASS. Crédit : NASA/ESA/CSA/STScI/SARAO.

Ce que cette mesure change

Le résultat ne se résume pas à une détection. Il montre que la cartographie d'intensité fonctionne. Jusqu'ici, les résultats de MeerKLASS passaient par une béquille, la corrélation avec des relevés de galaxies. En 2023, la comparaison avec les galaxies du relevé WiggleZ avait donné une détection à 7,7 sigma. Cette fois, MeerKLASS mesure le regroupement de l'hydrogène seul, sans galaxies pour servir de guide. C'est le sens du mot direct.

À terme, cette technique doit cartographier l'histoire de l'expansion de l'Univers. L'énergie noire, cette composante mystérieuse qui accélère l'expansion, et la constante de Hubble, qui mesure la vitesse actuelle de cette expansion, comptent parmi les grandes énigmes de la cosmologie. Les cartes d'hydrogène peuvent les contraindre, en traçant la structure de l'Univers à différentes époques. Une prévision publiée en 2026 donne l'échelle de l'enjeu. Combinée aux ondes gravitationnelles, la cartographie d'intensité réduit l'incertitude sur la constante de Hubble de 61 pour cent pour MeerKLASS, et de 53 pour cent pour le futur SKA-Mid, la partie sud-africaine du grand radiotélescope SKA. Ce n'est pas encore une mesure, c'est un objectif crédible.

MeerKAT est un précurseur de ce radiotélescope. La même méthode, appliquée à des relevés plus vastes, doit remonter plus loin dans le temps. La collaboration rassemble des chercheurs de sept pays et de trois continents, et elle travaille sur ce projet depuis une décennie. Mário Santos, son investigateur principal à l'Université du Cap-Occidental, y voit un jalon pour installer la cartographie d'intensité à 21 cm comme outil de cosmologie. D'autres instruments suivent la même piste, comme le télescope spatial Euclid de l'ESA, qui cartographie l'expansion avec la lumière des galaxies.

Chronologie en six jalons du projet MeerKLASS, de 2016 à la mesure directe de 2026.
Six jalons, du premier article décrivant le projet en 2016 à la mesure directe de 2026. La mesure directe arrive après un relevé pilote, une campagne profonde et une première détection par corrélation croisée. Schéma : Tracker-1, d'après MeerKLASS Collaboration, MNRAS 2026.

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