Cet instantané du télescope spatial Hubble montre trois images agrandies d’une galaxie lointaine intégrée dans un amas de galaxies. Ces images sont produites par une astuce de la nature appelée lentille gravitationnelle. L’immense gravité de l’amas de galaxies amplifie et déforme la lumière de la galaxie lointaine derrière lui, créant des images multiples. L’amas de galaxies, catalogué comme SDSS J223010.47-081017.8, est à 7 milliards d’années-lumière de la Terre. Hubble a observé de nombreuses galaxies à lentilles gravitationnelles. Cependant, les images repérées dans cet instantané de Hubble sont uniques. Deux des images agrandies, montrées dans le pull-out en bas à droite, sont des copies exactes l’une de l’autre. Les deux ovales brillants sont les noyaux de la galaxie. Ce phénomène rare se produit parce que la galaxie d’arrière-plan chevauche une ondulation dans le tissu de l’espace. Cette « ondulation » est une zone de plus grand grossissement, causée par la gravité de quantités denses de matière noire, la colle invisible qui constitue la majeure partie de la masse de l’univers. Au fur et à mesure que la lumière de la galaxie lointaine traverse l’amas le long de cette ondulation, deux images miroir sont produites, ainsi qu’une troisième image qui peut être vue sur le côté. Un gros plan de la troisième image est montré dans le pull-out en haut à droite. Cette image ressemble le plus à la galaxie lointaine, située à plus de 11 milliards d’années-lumière. Sur la base d’une reconstruction de cette image, les chercheurs ont déterminé que la galaxie lointaine apparaît comme une spirale barrée sur le bord avec une formation d’étoiles en bloc en cours. Les images miroir sont nommées « l’objet d’Hamilton » pour l’astronome qui les a découvertes. Crédit : Joseph DePasquale (STScI)
Regarder dans l’univers, c’est comme regarder dans un miroir funhouse. C’est parce que la gravité déforme le tissu de l’espace, créant des illusions d’optique.
Beaucoup de ces illusions d’optique apparaissent lorsque la lumière d’une galaxie lointaine est agrandie, étirée et illuminée lorsqu’elle traverse une galaxie massive ou un amas de galaxies devant elle. Ce phénomène, appelé lentille gravitationnelle, produit des images multiples, étirées et éclaircies de la galaxie en arrière-plan.
Ce phénomène permet aux astronomes d’étudier des galaxies si éloignées qu’elles ne peuvent être vues autrement que par les effets de lentille gravitationnelle. Le défi consiste à essayer de reconstituer les galaxies lointaines à partir des formes étranges produites par la lentille.
Mais les astronomes utilisant le Le télescope spatial Hubble trébuché sur une de ces formes étranges en analysant les quasars, les noyaux flamboyants des galaxies actives. Ils ont repéré deux objets linéaires brillants qui semblaient être des images miroir l’un de l’autre. Un autre objet bizarre était à proximité.
Les caractéristiques ont tellement déconcerté les astronomes qu’il leur a fallu plusieurs années pour percer le mystère. Avec l’aide de deux experts en lentilles gravitationnelles, les chercheurs ont déterminé que les trois objets étaient les images déformées d’une galaxie lointaine et non découverte. Mais la plus grande surprise était que les objets linéaires étaient des copies exactes les uns des autres, un événement rare causé par l’alignement précis de la galaxie d’arrière-plan et de l’amas de lentilles au premier plan.
Animation 3D montrant le télescope spatial Hubble au-dessus de la Terre. Crédit : ESA/Hubble (M. Kornmesser & LL Christensen)
Les astronomes ont vu des choses assez étranges éparpillées dans notre vaste univers, des étoiles qui explosent aux galaxies en collision. Donc, on pourrait penser que lorsqu’ils voient un objet céleste étrange, ils seraient capables de l’identifier.
Mais NasaLe télescope spatial Hubble a découvert ce qui semble être une paire d’objets identiques qui semblent si étranges qu’il a fallu plusieurs années aux astronomes pour déterminer ce qu’ils sont.
“Nous étions vraiment perplexes”, a déclaré l’astronome Timothy Hamilton de la Shawnee State University à Portsmouth, Ohio.
Les objets étranges se composent d’une paire de renflements de galaxies (le moyeu central rempli d’étoiles d’une galaxie) et d’au moins trois stries divisées presque parallèles. Hamilton les a repérés par accident en utilisant Hubble pour étudier une collection de quasars, les noyaux flamboyants des galaxies actives.
Après avoir poursuivi des théories sans issue, sollicité l’aide de collègues et fait beaucoup de casse-tête, Hamilton et l’équipe grandissante, dirigée par Richard Griffiths de l’Université d’Hawaï à Hilo, ont finalement rassemblé tous les indices pour résoudre le mystère.
Les objets linéaires étaient les images étirées d’une galaxie lointaine à lentille gravitationnelle, située à plus de 11 milliards d’années-lumière. Et, ils semblaient être des images miroir l’un de l’autre.
L’équipe a découvert que l’immense gravité d’un amas de galaxies intermédiaire et non répertorié au premier plan déformait l’espace, agrandissant, éclaircissant et étirant l’image d’une galaxie lointaine derrière elle, un phénomène appelé lentille gravitationnelle. Bien que les enquêtes de Hubble révèlent beaucoup de ces distorsions de miroir funhouse causées par la lentille gravitationnelle, cet objet était particulièrement perplexe.
Dans ce cas, un alignement précis entre une galaxie d’arrière-plan et un amas de galaxies de premier plan produit des copies agrandies jumelles de la même image de la galaxie distante. Ce phénomène rare se produit parce que la galaxie d’arrière-plan chevauche une ondulation dans le tissu de l’espace. Cette « ondulation » est une zone de plus grand grossissement, causée par la gravité de quantités denses de matière noire, la colle invisible qui constitue la majeure partie de la masse de l’univers. Au fur et à mesure que la lumière de la galaxie lointaine traverse l’amas le long de cette ondulation, deux images miroir sont produites, ainsi qu’une troisième image qui peut être vue sur le côté.
Griffiths compare cet effet aux motifs ondulés brillants observés au fond d’une piscine. “Pensez à la surface ondulée d’une piscine par une journée ensoleillée, montrant des motifs de lumière vive au fond de la piscine”, a-t-il expliqué. « Ces motifs brillants sur le fond sont causés par un effet similaire à celui de la lentille gravitationnelle. Les ondulations à la surface agissent comme des lentilles partielles et concentrent la lumière du soleil en motifs ondulés brillants sur le fond. »
Dans la galaxie lointaine à lentille gravitationnelle, l’ondulation grossit et déforme considérablement la lumière de la galaxie d’arrière-plan qui traverse l’amas. L’ondulation agit comme un miroir incurvé imparfait qui génère les doubles copies.
Résoudre le mystère
Mais ce phénomène rare n’était pas bien connu lorsque Hamilton a repéré les étranges caractéristiques linéaires en 2013.
Alors qu’il regardait les images de quasar, l’instantané des images en miroir et des stries parallèles se démarquait. Hamilton n’avait jamais rien vu de tel auparavant, et les autres membres de l’équipe non plus.
“Ma première pensée a été qu’il s’agissait peut-être de galaxies en interaction avec des bras étirés par les marées”, a déclaré Hamilton. “Ça ne cadrait pas vraiment bien, mais je ne savais pas quoi penser d’autre.”
Hamilton et l’équipe ont donc commencé leur quête pour résoudre le mystère de ces lignes droites alléchantes, plus tard surnommées l’objet de Hamilton pour son découvreur. Ils ont montré l’image étrange à des collègues lors de conférences d’astronomie, qui ont suscité une variété de réponses, des cordes cosmiques aux nébuleuses planétaires.
Mais ensuite, Griffiths, qui n’était pas membre de l’équipe d’origine, a offert l’explication la plus plausible lorsque Hamilton lui a montré l’image lors d’une réunion de la NASA en 2015. Il s’agissait d’une image agrandie et déformée causée par un phénomène de lentille similaire à ceux observés dans Hubble. images d’autres amas massifs de galaxies qui amplifient les images de galaxies très lointaines. Griffiths a confirmé cette idée lorsqu’il a appris l’existence d’un objet linéaire similaire dans l’une des études d’amas profonds de Hubble.
Les chercheurs, cependant, avaient toujours un problème. Ils n’ont pas pu identifier le groupe de lentilles. Normalement, les astronomes qui étudient les amas de galaxies voient d’abord l’amas de premier plan à l’origine de la lentille, puis trouvent les images agrandies des galaxies lointaines au sein de l’amas. Une recherche des images du Sloan Digital Sky Survey a révélé qu’un amas de galaxies résidait dans la même zone que les images agrandies, mais il n’apparaissait dans aucun relevé catalogué. Néanmoins, le fait que les images étranges se trouvaient au centre d’un amas montrait clairement à Griffiths que l’amas produisait les images lentilles.
L’étape suivante des chercheurs consistait à déterminer si les trois images de l’objectif étaient à la même distance et étaient donc toutes les portraits déformés de la même galaxie lointaine. Des mesures spectroscopiques avec les observatoires Gemini et WM Keck à Hawaï ont aidé les chercheurs à faire cette confirmation, montrant que les images optiques provenaient d’une galaxie située à plus de 11 milliards d’années-lumière.
La galaxie éloignée, basée sur une reconstruction de la troisième image lentille, semble être une spirale barrée sur la tranche avec une formation d’étoiles touffue en cours.
À peu près au même moment que les observations spectroscopiques de Griffiths et d’étudiants de premier cycle à Hilo, un groupe distinct de chercheurs de Chicago a identifié le cluster et mesuré sa distance à l’aide des données de Sloan. L’amas se trouve à plus de 7 milliards d’années-lumière.
Mais, avec très peu d’informations sur le cluster, l’équipe de Griffiths avait encore du mal à interpréter ces formes de lentilles inhabituelles. “Cette lentille gravitationnelle est très différente de la plupart des lentilles qui ont été étudiées auparavant par Hubble, en particulier dans l’étude des amas de Hubble Frontier Fields”, a expliqué Griffiths. « Vous n’avez pas besoin de regarder ces grappes pendant longtemps pour trouver de nombreuses lentilles. Dans cet objet, c’est le seul objectif que nous ayons. Et nous ne connaissions même pas le cluster au début.
Cartographier l’invisible
C’est alors que Griffiths a appelé une experte en théorie des lentilles gravitationnelles, Jenny Wagner de l’Université de Heidelberg en Allemagne. Wagner avait étudié des objets similaires et, avec son collègue Nicolas Tessore, maintenant à l’Université de Manchester en Angleterre, a développé un logiciel informatique pour interpréter des lentilles uniques comme celle-ci. Leur logiciel a aidé l’équipe à comprendre comment les trois images d’objectif sont nées. Ils ont conclu que la matière noire autour des images étirées devait être « lisse » répartie dans l’espace à petite échelle.
“C’est formidable que nous n’ayons besoin que de deux images miroir pour mesurer à quel point la matière noire peut être agglomérée ou non à ces positions”, a déclaré Wagner. « Ici, nous n’utilisons aucun modèle d’objectif. On prend juste les observables des multiples images et le fait qu’elles puissent se transformer les unes dans les autres. Ils peuvent être pliés les uns dans les autres par notre méthode. Cela nous donne déjà une idée de la fluidité de la matière noire à ces deux positions. »
Ce résultat est important, a déclaré Griffiths, car les astronomes ne savent toujours pas ce qu’est la matière noire, près d’un siècle après sa découverte. « Nous savons que c’est une forme de matière, mais nous n’avons aucune idée de ce qu’est la particule qui la constitue. Nous ne savons donc pas du tout comment il se comporte. Nous savons juste qu’il a une masse et qu’il est soumis à la gravité. L’importance des limites de taille sur l’agglutination ou la douceur est qu’elle nous donne quelques indices sur ce que pourrait être la particule. Plus les amas de matière noire sont petits, plus les particules doivent être massives. »
Le document de l’équipe paraît dans le numéro de septembre de Les avis mensuels de la Royal Astronomical Society.
Référence : « Hamilton’s Object – a clumpy galaxy straddling the gravitational caustic of a galaxy cluster : contraintes on dark matter clumping » par Richard E Griffiths, Mitchell Rudisel, Jenny Wagner, Timothy Hamilton, Po-Chieh Huang et Carolin Villforth, 17 mai 2021, Les avis mensuels de la Royal Astronomical Society.
DOI : 10.1093/mnras/stab1375
Le télescope spatial Hubble est un projet de coopération internationale entre la NASA et l’ESA (Agence spatiale européenne). Le Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, dans le Maryland, gère le télescope. Le Space Telescope Science Institute (STScI) à Baltimore, Maryland, mène des opérations scientifiques Hubble. STScI est exploité pour la NASA par l’Association des universités pour la recherche en astronomie à Washington, DC
