Un communiqué de la Nasa explique qu'il y a 7 milliards d’années, la formation d’étoiles dans l’Univers commençait à ralentir. À quoi aurait pu ressembler notre Galaxie, la Voie lactée, à cette époque ? Des astronomes utilisant le télescope spatial James-Webb ont trouvé des indices sous la forme d’un « point d’interrogation cosmique », résultat d’un alignement rare à des milliards années-lumière causant un effet de lentille gravitationnelle déformante exotique.
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Le phénomène de lentille gravitationnelle a été théorisé en 1936 par Albert Einstein sur la suggestion d'un amateur, et EinsteinEinstein ne pensait pas que l'on puisse un jour l'observer. Cet effet découle du fait que l'existence d'un espace-temps courbé par la matière peut se manifester sur la trajectoire des rayons lumineux d'une manière équivalente à l'introduction d'un indice variable dépendant de la masse du corps, dont le champ de gravitation dévie les rayons lumineux. On peut donc s'attendre à ce qu'une concentration suffisamment importante de matière agisse sur la lumièrelumière provenant d'une étoileétoile, ou d'une galaxiegalaxie, à la manière dont le ferait l'introduction d'une lentille ou tout du moins d'un dioptre.
Comme le montre la vidéo du CEA, ci-dessous, Einstein avait heureusement tort et nous connaissons aujourd'hui plusieurs cas et types de lentilles gravitationnelles que l'on utilise de plusieurs façons en astrophysiqueastrophysique et cosmologiecosmologie. On peut s'en servir pour estimer la distribution de matière noirematière noire avec les amas de galaxiesamas de galaxies ou tout simplement comme d'une loupe pour grossir des astres lointains.
Dans le vide, la lumière se déplace habituellement en ligne droite. Mais dans un espace déformé par un corps céleste massif, comme une galaxie, cette trajectoire est déviée ! Ainsi, une source lumineuse située en arrière d’une galaxie a une position apparente différente de sa position réelle : c’est le phénomène de mirage gravitationnel. Cette vidéo est originaire du webdocumentaire « L’Odyssée de la Lumière » et a été intégrée au webdocumentaire « Embarquez avec la Matière Noire ». © CEA, Animea
Une lentille gravitationnelle ombilicale hyperbolique
Le télescope spatial James-Webbtélescope spatial James-Webb renouvelle notre connaissance des cas de lentilles gravitationnelles comme le montre un communiqué de la NasaNasa illustrant les images et spectresspectres du JWST réalisé dans le cadre du Canadian NIRISSNIRISS Unbiased ClusterCluster Survey (Canucs) et qui concernent l'amas de galaxies MACSMACS-J0417.5-1154 déjà imagé autrefois avec le télescope Hubble. Le communiqué s'accompagne d'un article publié dans les Monthly Notices of the Royal Astronomical Society - une version existe en accès libre sur arXiv.
Sous l'œilœil infrarougeinfrarouge des instruments du JWST, l'amas MACS-J0417.5-1154 révèle la présence d'une galaxie rouge poussiéreuse qui forme une intrigante forme de point d'interrogation telle qu'elle était il y a 7 milliards d'années à l'apogéeapogée de la formation d'étoiles dans l'UniversUnivers observable et alors que l'effet de l'énergie noireénergie noire commençait à accélérer l'expansion du cosmoscosmos.
La galaxie rouge ainsi qu'une galaxie spiralegalaxie spirale, avec laquelle elle interagit et qui avait été détectée précédemment par Hubble, sont agrandies et déformées d'une manière inhabituelle via ce que les astronomesastronomes appellent une lentille gravitationnelle ombilicale hyperbolique. « Nous ne connaissons que trois ou quatre occurrences de configurations de lentilles gravitationnelles similaires dans l'Univers observable, ce qui rend cette découverte passionnante, car elle démontre la puissance de Webb et suggère que nous en trouverons peut-être davantage », s'exclame dans le communiqué de la Nasa l'astronome Guillaume Desprez de l'université Saint Mary à Halifax, en Nouvelle-Écosse, membre de l'équipe présentant les résultats de Webb.
Un analogue à la Voie lactée jeune il y a 7 milliards d'années ?
« C'est tout simplement génial. Des images incroyables, comme celle-ci, sont la raison pour laquelle je me suis intéressé à l'astronomie quand j'étais jeune. Ces galaxies, observées il y a des milliards d'années lorsque la formation d'étoiles était à son apogée, ont une masse similaire à celle de la Voie lactée à cette époque. Webb nous permet d'étudier à quoi auraient ressemblé les années d'adolescenceadolescence de notre propre Galaxie », ajoute l'astronome Marcin Sawicki de l'Université Saint Mary, l'un des principaux chercheurs de l'équipe.
« Savoir quand, où et comment se produit la formation d'étoiles dans les galaxies est essentiel pour comprendre comment les galaxies ont évolué au cours de l'histoire de l'Univers. Les deux galaxies de la paire de points d'interrogation montrent une formation d'étoiles active dans plusieurs régions compactes, probablement le résultat de la collision de gazgaz entre les deux galaxies. Cependant, la forme d'aucune des deux galaxies ne semble trop perturbée, nous assistons donc probablement au début de leur interaction », explique quant à lui l'astronome Vicente Estrada-Carpenter de l'université Saint Mary, qui a utilisé à la fois les données ultraviolettes de Hubble et les données infrarouges de Webb pour montrer où se forment les nouvelles étoiles dans les galaxies.
Le saviez-vous ?
La théorie de la relativité générale d'Einstein 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 galaxies et 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 été découverts.
