Une énorme quantité de gravité provenant d’un amas de galaxies lointaines fait que l’espace se courbe tellement que la lumière d’eux est courbée et émane de nombreuses directions. Cet effet de « lentille gravitationnelle » a permis aux astronomes de l’Université de Copenhague d’observer la même étoile exploser à trois endroits différents dans le ciel. Ils prédisent qu’une quatrième image de la même explosion apparaîtra dans le ciel d’ici 2037. L’étude, qui a récemment été publiée dans la revue Astronomie de la nature, offre une occasion unique d’explorer non seulement la supernova elle-même, mais l’expansion de notre univers.
L’un des aspects les plus fascinants de la célèbre théorie de la relativité d’Einstein est que la gravité n’est plus décrite comme une force, mais comme une « courbure » de l’espace lui-même. La courbure de l’espace causée par les objets lourds ne fait pas seulement tourner les planètes autour des étoiles, mais peut également courber l’orbite des faisceaux lumineux.
La plus lourde de toutes les structures de l’univers – les amas de galaxies constitués de centaines ou de milliers de galaxies – peut tellement détourner la lumière des galaxies lointaines derrière elles qu’elles semblent être dans un endroit complètement différent de ce qu’elles sont réellement.
Mais ce n’est pas ça : la lumière peut emprunter plusieurs chemins autour d’un amas de galaxies, ce qui nous permet d’avoir de la chance et de faire deux ou plusieurs observations de la même galaxie à différents endroits du ciel à l’aide d’un puissant télescope.
La gravité de l’amas de galaxies MACS J0138 courbe tellement l’espace que la lumière d’une galaxie derrière lui est inclinée vers nous de plusieurs manières différentes. À gauche, une image de l’amas de 2016 dans laquelle la lumière de la même étoile en explosion – une supernova – est vue à trois endroits dans le ciel nocturne. À droite, se trouve la même zone en 2019, où la supernova est maintenant partie. Les astronomes de l’Institut Niels Bohr ont calculé qu’il réapparaîtra en 2037. Crédit : S. Rodney (U. de S. Carolina), G. Brammer (Cosmic Dawn Center), J. DePasquale (STScI), P. Laursen (Cosmic Centre de l’aube))
Supernova déjà-vu
Certaines routes autour d’un amas de galaxies sont plus longues que d’autres et prennent donc plus de temps. Plus la route est lente, plus la gravité est forte ; encore une autre conséquence étonnante de la relativité. Cela échelonne le temps nécessaire à la lumière pour nous atteindre, et donc les différentes images que nous voyons.
Cet effet merveilleux a permis à une équipe d’astronomes du Cosmic Dawn Center – un centre de recherche fondamentale dirigé par l’Institut Niels Bohr de l’Université de Copenhague et DTU Space à l’Université technique du Danemark – avec leurs partenaires internationaux, d’observer un seul galaxie dans pas moins de quatre endroits différents dans le ciel.
Les observations ont été faites en utilisant la gamme de longueurs d’onde infrarouges du Le télescope spatial Hubble.
La lumière d’une galaxie avec une étoile en explosion emprunte différents chemins autour d’un amas de galaxies intermédiaire avant de nous atteindre. Les astronomes du Cosmic Dawn Center, entre autres, ont calculé qu’une route est environ 21 années-lumière de plus que l’autre. En tant que tels, ils prédisent qu’en 2037, nous devrions être en mesure de repérer à nouveau la supernova. Crédit : Peter Laursen, Cosmic Dawn Center)
En analysant les données de Hubble, les chercheurs ont noté trois sources de lumière vive dans une galaxie d’arrière-plan qui étaient évidentes dans une précédente série d’observations de 2016, qui ont disparu lorsque Hubble a revisité la zone en 2019. Ces trois sources se sont avérées être plusieurs images d’un seul étoile dont la vie s’est terminée par une explosion colossale connue sous le nom de supernova.
« Une seule étoile a explosé il y a 10 milliards d’années, bien avant la formation de notre propre soleil. L’éclair de lumière de cette explosion vient de nous atteindre », explique le professeur agrégé Gabriel Brammer du Cosmic Dawn Center, qui a dirigé l’étude avec le professeur Steven Rodney de l’Université de Caroline du Sud.
La supernova, surnommée « SN-Requiem », peut être vue dans trois des quatre « images en miroir » de la galaxie. Chaque image présente une vue différente du développement de la supernova explosive. Dans les deux dernières images, il n’a pas encore explosé. Mais, en examinant comment les galaxies sont réparties au sein de l’amas de galaxies et comment ces images sont déformées par l’espace courbe, il est en fait possible de calculer à quel point ces images sont « retardées ».
Cela a permis aux astronomes de faire une prédiction remarquable :
« La quatrième image de la galaxie a environ 21 ans de retard, ce qui devrait nous permettre de voir la supernova exploser une nouvelle fois, vers 2037 », explique Gabriel Brammer.
Peut nous en apprendre plus sur l’univers
Si nous devions assister à nouveau à l’explosion de SN-Requiem en 2037, cela confirmerait non seulement notre compréhension de la gravité, mais aiderait également à faire la lumière sur une autre énigme cosmologique apparue ces dernières années, à savoir l’expansion de notre univers.
Nous savons que l’univers est en expansion et que différentes méthodes nous permettent de mesurer à quelle vitesse. Le problème est que les différentes méthodes de mesure ne donnent pas toutes le même résultat, même en tenant compte des incertitudes de mesure. Nos techniques d’observation pourraient-elles être imparfaites ou, plus intéressant encore, devrons-nous réviser notre compréhension de la physique fondamentale et de la cosmologie ?
« La compréhension de la structure de l’univers sera une priorité absolue pour les principaux observatoires terrestres et les organisations spatiales internationales au cours de la prochaine décennie. Les études prévues pour l’avenir couvriront une grande partie du ciel et devraient révéler des dizaines, voire des centaines de lentilles gravitationnelles rares avec des supernovae comme SN Requiem », explique Brammer :
« Des mesures précises des retards de ces sources fournissent des déterminations uniques et fiables de l’expansion cosmique et peuvent même aider à révéler les propriétés de la matière noire et de l’énergie noire. »
La matière noire et l’énergie noire sont la matière mystérieuse qui constituerait 95% de notre univers, alors que nous ne pouvons voir que 5%. Les perspectives des lentilles gravitationnelles sont prometteuses !
Pour en savoir plus sur cette recherche, lisez Supernova Requiem: Rerun of Massive Blast From Exploding Star devrait apparaître en 2037.
Référence : « A gravitationally lensed supernova with an observable two-decade time delay » par Steven A. Rodney, Gabriel B. Brammer, Justin DR Pierel, Johan Richard, Sune Toft, Kyle F. O’Connor, Mohammad Akhshik et Katherine E. Whitaker, le 13 septembre 2021, Astronomie de la nature.
DOI : 10.1038 / s41550-021-01450-9
