Cosmic lens MACS J1720+35 helps Hubble to find a distant supernova
Cosmic lens MACS J1720+35 helps Hubble to find a distant supernova

Pour observer les champs profonds de l’Univers, des amas de galaxies font parfois office de télescope. Comment est-ce possible ?

A l’observatoire international de Cerro Paranal, au Chili, les télescopes sont équipés d’énormes miroirs : plus de 8 mètres de diamètre. Mais les instruments les plus puissants ont leurs limites, et les champs profonds de l’Univers observable nous demeurent en grande partie invisibles.

Les scientifiques ont trouvé une parade : ils tirent parti d’un phénomène observé pour la première fois en 1919, les “lentilles gravitationnelles” (ou “lentilles cosmiques”). Il s’agit en réalité d’une illusion d’optique prédite par la théorie de la relativité générale d’Albert Einstein, un mirage gravitationnel en d’autres termes.

La masse d’un amas de galaxies déforme la lumière”, explique Johan Richard, du Centre de recherche astrophysique de Lyon. “Dans certains cas, les rayons lumineux déviés convergent comme avec une lentille. Cela permet d’observer ce qu’il y a derrière de manière plus détaillées.

L’équipe de Johan Richard, en collaboration avec des équipes de Marseille et Genève, a mis au point une méthode permettant de mesurer la correction de ces lentilles cosmiques. Comment ça marche ?

Le principe : courbures de l’espace-temps et matière noire

D’après les lois de la relativité générale, la présence d’un corps céleste massif (étoile, trou noir, galaxie) provoque une courbure de l’espace-temps. La lumière est déviée par le champ gravitationnel en fonction de cette courbure : elle suit la géodésique, c’est-à-dire le chemin le plus court entre deux points. C’est donc la gravité qui détermine le trajet de la lumière et l’intensité du phénomène optique. Or, la gravité d’un amas de galaxies dépend de sa masse, et sa masse dépend de la quantité totale de matière présente… y compris la matière noire qui n’est pas directement observable.

Nous avons des modèles nous permettant de calculer de combien vont être amplifiées les galaxies distantes observées au travers de l’amas”, précise Johan Richard. Les astronomes peuvent en effet estimer et cartographier les quantités de matière noire par des mesures sur l’expansion de l’Univers. Ils en déduisent la correction optique d’un amas et la manière dont la lumière d’objets distants sera amplifiée à son passage. Problème : comment s’assurer que ces estimations sont correctes ?

La méthode : utiliser des supernovae “Ia”

Deux équipes d’astronomes qui travaillent avec le télescope spatial Hubble (CLASH – Cluster Lensing And Supernova survey with Hubble – et Supernova Cosmology Project), parmi lesquelles l’équipe de Johan Richard au Centre de Recherche Astrophysique de Lyon, ont découvert trois explosions d’étoiles distantes, ou supernovae, amplifiées par des “lentilles cosmiques” se trouvant sur la ligne de visée de Hubble.

Par chance, l’une des trois est une supernova “Ia” née de l’explosion d’une naine blanche, objet céleste très dense. Les supernovae Ia sont identifiables à leur courbe et possèdent la particularité d’avoir toujours la même intensité lumineuse, ou “brillance intrinsèque”.

L’ avancée : calculer le taux d’amplification

Dans le cas d’une supernova Ia,  la mesure est plus précise car ce type de supernova est une meilleure source de calibration : on connaît sa brillance intrinsèque.

Cette étude permet de calculer le facteur d’amplification”, se réjouit Johan Richard, “Chacune des équipes a comparé ses résultats avec des modèles théoriques du contenu des amas en matière noire construit indépendemment, Supernova Cosmology Project et CLASH : les prédictions sont en accord avec les modèles.

L’une des supernovae apparaît ainsi deux fois plus brillante grâce au pouvoir de l’amas !

Ces résultats confirment les modèles d’amas complexes du Supernova Cosmology Project, créés au CRAL et à l’Ecole polytechnique fédérale de Lausanne en Suisse. Les chercheurs vont donc pouvoir s’y appuyer pour sonder l’Univers lointain. “Ces amas de galaxies commencent a être suffisamment connus pour que la technique des lentilles gravitationnelles puisse être de plus en plus utilisée”, conclut Johan Richard.

Crédit illustration : NASA, ESA, S. Perlmutter (UC Berkeley, LBNL), A. Koekemoer (STScI), M. Postman (STScI), A. Riess (STScI/JHU), J. Nordin (LBNL, UC Berkeley), D. Rubin (Florida State), and C. McCully (Rutgers University)

Cléo Schweyer

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