Hubble révèle une spectaculaire croix d'Einstein montrant une supernova Par jean Marc BONATO

Parmis les prédictions d'Einstein, il y en a une qui me fait rêver plus que les autres : la croix d'Enstein. Sous l'effet de lentille gravitationnelle, se forme une image d'un seul objet très lumineux (super novae) en quatre points distincts. Il faut une grande force de gravité comme une galaxie qui courbe les rayons de la lumière de l'objet très lumineux. L'objet semble être à 4 endroits différents en même temps. Ce phénomêne a pu être observé pour la première environ 100 ans après que Einstein l'a théorisé / prédit.

En voulant débusquer l'effet de lentille gravitationnelle sur les images des supernovae, un groupe d'astronomes a fait une découverte au-delà de ses espérances : une croix d'Einstein formé par quatre images de l'une d'elles. C'est la première du genre et elle a été mise en évidence grâce à Hubble.

L'image de l'explosion de la supernova SN Refsdal est déformée par effet de lentille gravitationnelle. Sa taille est ainsi démultipliée par quatre. Située derrière une galaxie elliptique appartenant à l'amas de galaxies MACS J1149.6+2223, cette supernova apparaît également 20 fois plus lumineuse qu'elle ne l'est en réalité. Les éléments forment une croix d'Einstein similaire à celle observée pour la première fois avec le quasar G2237 + 0305. © Nasa, Esa 

Cette année marque le centenaire de la théorie de la relativité généraled'Einstein. Cette théorie de la gravitation a prédit que des distributions de masses pouvaient agir sur des rayons lumineux à la façon d'une loupe. Le premier physicien à s'en rendre compte fut probablement le russe Danilovich Khvolson, qui fit part de sa découverte dans un article datant de 1924. Personne ne le remarqua et ce n'est qu'en 1936 qu'Albert Einstein publia un article sur le même sujet, stimulé par la lettre d'un particulier, Rudi Mandl. Einstein doutait que le phénomène soit observable et il avait de bonnes raisons car l'effet de lentille gravitationnelle qu'il considérait était associé à une étoile.

En 1937, Fritz Zwicky se rend alors compte que l'effet était bien plus important si l'on considérait des corps plus massifs, à savoir des galaxieset surtout des amas de galaxies dont lui-même avait montré en 1933 qu'ils devaient contenir de la matière noire. Ce n'est toutefois qu'en 1979 que les prédictions d'Einstein et Zwicky se sont révélées pertinentes pour décrire l'univers avec l'observation du désormais célèbre quasar Jumeau, situé dans la constellation de la Grande Ourse à une distance de 8,7 milliards années-lumière. Son image en double exemplaire était causée par une galaxie située à 3,7 milliards années-lumière de la Voie lactée. Par la suite, plus d'une centaine de quasars subissant un effet de lentille gravitationnelle causé par une galaxie ou un amas de galaxies ont ensuite été découverts.

La supernova SN Refsdal associée à l'amas de galaxies MACS J1149.6+2223 a été découverte par une équipe internationale. L'image de l'explosion est démultipliée par un effet de lentille gravitationnelle et donne une croix d'Einstein. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle avec deux barres horizontales en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître, si ce n'est pas déjà le cas. En cliquant ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, vous devriez voir l'expression « Traduire les sous-titres ». Cliquez pour faire apparaître le menu du choix de la langue, choisissez « français », puis cliquez sur « OK » © The Cosmos News, YouTube

La première croix d'Einstein avec une supernova

Une équipe internationale d'astronomes vient de montrer à nouveau que l'héritage d'Einstein et Zwicky est bien vivant, comme le prouve une publication dans Science accessible librement sur arXiv. Les chercheurs, dont certains sont membres de la collaboration Grism Lens Amplified Survey from Space (Glass), n'en ont pas cru leurs yeux lorsqu'ils se sont trouvés confrontés dans le cadre d'un travail de routine à des images fournies par Hubble. L'astronome Patrick Kelly, de l'université de Berkeley (Californie), était occupé à dépouiller des observations concernant l'amas de galaxies MACS J1149.6+2223 situé à environ 5 milliards d'années-lumière de la Voie lactée lorsqu'il a eu la surprise d'y découvrir un nouvel avatar d'une croix d’Einstein. Le premier du genre à avoir pris cette dénomination était une forme particulière d'un mirage gravitationnel, correspondant à la démultiplication par quatre de l'image d'un quasar, G2237 + 0305. Il s'agit cependant ici de quatre images d'une supernova.

Les analyses spectrales de cette croix d'Einstein réalisées au sol à l'aide des instruments du W.M. Keck Observatory au sommet du Mauna Kea, à Hawaï, ont permis de déterminer la distance de la supernova, à savoir 9,3 milliards d'années-lumière. C'est la première fois que l'on découvre un effet de lentille gravitationnelle associé à une supernova, bien que ce phénomène ait été envisagé depuis des décennies. Les membres de la collaboration Glass étaient partis à sa recherche depuis 2013 mais ils n'imaginaient pas tomber sur une croix d'Einstein avec une supernova, la première du genre là aussi. Observée le 11 novembre 2014 pour la première fois, la luminosité de l'explosion a été multipliée par 20 grâce à l'effet de lentille gravitationnelle.

L'observation de l'effet de lentille gravitationnelle associé à la supernova SN Refsdal permettra de tester les modèles de matière noire actuels. © Nasa, Esa, YouTube

Un outil pour comprendre la matière noire et les amas de galaxies

Mais le plus spectaculaire n'est peut-être pas là. Les astrophysiciens et les cosmologistes sont aussi capables de déterminer la répartition de la matière noire dans un amas de galaxie, puis d'utiliser un modèle numérique sur ordinateur pour prédire les effets de lentilles générés par l'amas. Ils en ont déduit que, dans le cas de MACS J1149.6+2223, les quatre images observées de la supernova ont commencé à être visibles à quelques jours ou quelques semaines d'intervalle. Les rayons lumineux issus de l'explosion se sont en effet faufilés à travers une distribution inhomogène de matière noire, empruntant des trajets de longueurs différentes. Mieux, une première image de la supernova devait être déjà visible, mais associée à une autre galaxie de l'amas, il y a environ 20 ans. Une cinquième image devrait apparaître d'ici 5 ans comme le montre la vidéo ci-dessus.

Les astrophysiciens vont guetter son apparition. L'occurrence de cette supernova étant prédite par les modèles de matière noire actuels, son observation fournira des informations pour tester et affiner ces modèles qui, à leur tour, servirons à mieux explorer et comprendre les amas de galaxies et les distributions de matière noire qui leur sont associées. En attendant, la supernova a été baptisée Refsdal, en hommage à l'astronome norvégien Sjur Refsdal qui a prédit dès 1964 que l'effet de lentille gravitationnelle pouvait se manifester avec des délais multiples dans l'apparition des images de l'explosion.