Lorsque les atomes d’hydrogène se sont formés pour la première fois, ils ont absorbé puis émis un rayonnement ambiant de 21 centimètres à des taux égaux, ce qui a rendu les nuages d’hydrogène qui remplissaient l’univers primordial effectivement invisibles.
Puis vint l’aube cosmique. Le rayonnement ultraviolet des premières étoiles a excité des transitions atomiques qui ont permis aux atomes d’hydrogène d’absorber plus d’ondes de 21 centimètres qu’ils n’en émettaient. Vue de la Terre, cette absorption excessive apparaîtrait comme une baisse de luminosité à une longueur d’onde radio spécifique marquant le moment où les étoiles se sont allumées.
Avec le temps, les premières étoiles se sont effondrées en trous noirs. Les gaz chauds tourbillonnant autour de ces trous noirs ont généré des rayons X qui ont chauffé les nuages d’hydrogène dans tout l’univers, augmentant le taux d’émissions de 21 centimètres. Nous observerions cela comme une légère augmentation de la luminosité à une longueur d’onde radio légèrement plus courte que celle de la lumière plus ancienne. Le résultat net serait une baisse de la luminosité sur une plage de longueurs d’onde radio étroite, comme celle détectée par EDGES.
Mais le creux observé, qui s’est produit autour d’une longueur d’onde de 4 mètres, n’était pas ce à quoi les cosmologistes théoriques s’attendaient : le moment et la forme du creux étaient décalés, indiquant que les premières étoiles se sont allumées étonnamment tôt et que les rayons X ont inondé l’univers. peu de temps après. Plus étrange encore, la baisse était très prononcée, suggérant que l’hydrogène dans l’univers primitif était plus froid que les modèles théoriques ne l’avaient prédit, peut-être en raison d’interactions exotiques avec la matière noire qui remplit le cosmos.
Ou peut-être que le plongeon EDGES a une origine plus banale.
Les émissions d’hydrogène de 21 centimètres de l’ère de l’aube cosmique atteignent la Terre avec des longueurs d’onde de plusieurs mètres, dans la gamme utilisée pour les émissions de radio et de télévision FM ; c’est pourquoi EDGES a opéré dans un endroit aussi éloigné. De plus, le signal est submergé par les émissions radio des milliers de fois plus brillantes de notre propre galaxie, et il est déformé par son passage à travers les couches supérieures de l’atmosphère terrestre.
Non moins importants sont les effets subtils de l’antenne elle-même. L’environnement d’une antenne radio peut modifier légèrement la zone du ciel nocturne à laquelle elle est sensible. Dans une expérience aussi précise, même de faibles réflexions sur des surfaces distantes de plusieurs dizaines de mètres peuvent avoir de l’importance. L’effet de telles réflexions serait renforcé à certaines longueurs d’onde radio, entraînant une petite variation de la zone d’observation de l’antenne – et donc potentiellement de la luminosité mesurée – à différentes longueurs d’onde.
L’équipe EDGES a vu ce genre d’ondulation dans leurs données, et les principaux coupables, peut-être à juste titre, étaient les bords d’un écran métallique de 30 mètres de large placé sur le sol entourant l’antenne pour bloquer les émissions radio du sol lui-même. L’équipe a corrigé les réflexions possibles sur ces bords dans leur analyse, mais comme certains astronomes l’ont noté à l’époque, si la correction était même légèrement décalée, le résultat pourrait être une baisse de la luminosité de fond sur une plage de longueurs d’onde étroite indiscernable d’un vrai cosmique signal de l’aube.
L’équipe SARAS a adopté une approche différente de la conception des antennes dans le but d’obtenir une sensibilité plus uniforme sur toutes les longueurs d’onde. « Toute la philosophie de conception consiste à préserver cette douceur spectrale », a déclaré Saurabh Singh, l’auteur principal de l’article SARAS. L’antenne – un cône en aluminium posé sur un radeau en polystyrène – a flotté au milieu d’un lac calme pour s’assurer qu’il n’y aurait pas de réflexions sur plus de 100 mètres dans n’importe quelle direction horizontale, ce que Parsons a appelé « une approche vraiment cool et innovante ». De plus, la vitesse lente de la lumière dans l’eau a réduit l’effet des réflexions du fond du lac, et la densité uniforme de l’eau a rendu l’environnement beaucoup plus facile à modéliser.