Découverte de la première supernova démultipliée par effet de lentille gravitationnelle

C’est une image magnifique que nous venons de découvrir dans le dernier numéro de la revue américaine Science : une supernova, démultipliée par 4.  Il s’agit d’une illusion, mais bien réelle, il y a bien eu une seule explosion d’étoile, mais nous la voyons 4 fois, à cause d’un effet de lentille gravitationnelle. La démultiplication d’images d’objets lointains par lentille gravitationnelle est ce qu’on appelle communément une croix d’Einstein, c’est un effet purement relativiste. Cela a lieu quand l’alignement est quasi-parfait entre l’objet lointain, l’objet déflecteur, et nous. Jusqu’à présent, on n’avait pu observer de tels phénomènes uniquement sur des galaxies, et aujourd’hui c’est la première fois que l’on assiste à ce phénomène sur une étoile unique, en l’occurrence une explosion d’étoile.

La supernova Refsdal vue 4 fois par lentille gravitationnelle (en jaune, flèches), imagée avec le télescope Hubble (NASA/ESA/STScI/GLASS team/FrontierSN team/Frontier Field team/CLASH team)

C’est le 12 novembre dernier que Patrick Kelly, astronome à l’université de Berkeley  aux Etats-Unis, découvrit sur des images du télescope spatial Hubble, cette supernova pas comme les autres qu’il avait l’habitude de voir. Il y en avait visiblement quatre, toutes identiques et symétriquement réparties autour d’une grosse galaxie au sein d’un amas de galaxies. La supernova est nommée Refsdal du nom de l’astrophysicien norvégien Sjur Refsdal, qui fut le premier à proposer l’idée de la mesure du taux d’expansion cosmique par la mesure de distance d’une supernova par lentille gravitationnelle en 1964).

Cette supernova est vraiment très lointaine, elle est située à 9 milliards d’années-lumière. La grosse galaxie qui a servi de lentille se trouve elle à 5 milliards d’années-lumière de nous.

Les supernovas (celles du type Ia) sont importantes car elles permettent de mesurer leur distance, elles sont par exemple utilisées pour déterminer le taux d’expansion de l’Univers et comment il évolue. Il est donc aussi important de trouver des supernovas situées à un peu toutes les distances pour pouvoir calculer comment a évoluer l’expansion de l’Univers au cours du temps cosmique.

Ce qui est très intéressant avec cette supernova démultipliée, c’est que l’alignement n’était pas tout à fait parfait (on peut le comprendre), et du coup, les photons des quatre images n’ont pas pris le même temps pour arriver à nous. En d’autre termes, on voit quatre images de l’explosion de la supernova à plusieurs temps différents, un peu comme si on regardait un film plusieurs fois en décalé mais simultanément. On peut ainsi voir quatre fois la montée de luminosité puis quatre fois la décroissance de cette explosion.

Et en mesurant ces écarts temporels entre les quatre images de cette même explosion, on peut théoriquement déterminer précisément la distance parcourue par ces différents rayons lumineux entre leur point d’origine et nos yeux (c’est-à-dire le miroir de Hubble), c’est la méthode de Refsdal.

Schéma du principe physique produisant le phénomène de lentille gravitationnelle et de croix d'Einstein.

Malheureusement, dans le cas de cette belle quadruple supernova, qui est la première candidate potentiellement utilisable pour cette méthode, l’objet déflecteur est constitué de deux lentilles : la grosse galaxie et l’amas de galaxie. Or le calcul du chemin des rayons lumineux dépend aussi du champ gravitationnel à l’origine de la déflexion, et ce calcul est ici trop peu précis car le champ gravitationnel est trop difficile à modéliser…

Ce qu’espèrent les chercheurs, c’est maintenant de découvrir une nouvelle image de cette supernova, qui pourrait émerger de l’amas de galaxies central, après de multiples déflexions, ce qui permettrait de beaucoup mieux connaitre la distribution de matière dans cet amas de galaxie et de pouvoir enfin mesurer la distance de l’explosion, et par là-même mesurer l’expansion de l’Univers. Cela implique qu’il faudrait que Hubble (ou son futur successeur) garde très souvent un œil sur cette zone du ciel, pour ne pas rater ce nouvel événement.

Ce type de phénomène astrophysique  devrait pouvoir être plus souvent découvert à l’avenir grâce à l’arrivée annoncée du Large Synoptic Sky Survey, toujours prévue pour 2022…

Alors que Albert Einstein fait la couverture de la revue Science pour fêter les 100 ans de la théorie de la Relativité Générale, quel plus bel hommage que cette superbe découverte d’une croix d’Einstein sur une supernova, preuve exceptionnelle de cette théorie centenaire, chaque jour plus robuste !

Sources :

Multiple images of a highly magnified supernova formed by an early-type cluster galaxy lens

P. Kelly et al.

Science 6 March 2015 Vol. 347 no. 6226 pp. 1123-1126

Supernova 'kaleidoscope' seen for first time

M. McKee

Nature 5 march 2015

Les trous noirs supermassifs empêchent le grossissement des galaxies

On en sait maintenant beaucoup plus sur les mécanismes qui ralentissent le grossissement des galaxies, ils sont bel et bien liés au trou noir supermassif qu'elles comportent en leur centre. Le phénomène en cause est appelé la précipitation cosmique.

C'est avec le télescope spatial Chandra X-Ray Observatory que cette découverte a pu être faite et rapportée prochainement dans la revue Nature quelques semaines après une première publication sur le même sujet dans the Astrophysical Journal Letters. 

On savait depuis un moment que le trou noir supermassif d'une galaxie avait un effet sur le grossissement de certaines galaxies, mais c'est aujourd'hui la première fois que l'on parvient à démontrer l'existence du phénomène physique en cause. La précipitation cosmique est un phénomène qui, à partir de gaz chaud, crée des sortes de pluies de gaz froid au sein d'une galaxie, qui ont un effet direct sur le trou noir supermassif, qui produit alors une réaction sur ce même gaz.

L'amas Abell 2597, un des 200 amas de galaxies étudiés
par M. Voit et al. (NASA/CXC/DSS/Magellan)

L'équipe menée par Mark Voit de la Michigan State University a exploré les émissions de rayons X de plus de 200 amas de galaxies, et plus particulièrement les plus grosses galaxies au sein de ces amas, celles qui baignent littéralement dans un milieu de gaz chaud. Normalement, ce gaz chaud devrait petit à petit se refroidir et former de nouvelles étoiles, mais les observations montrent qu'il n'en est rien, quelque chose empêche la formation d'étoiles.

Les astrophysiciens américains montrent que c'est le trou noir supermassif qui est en cause : sous certaines conditions, le gaz très chaud qui l'entoure rayonne, se refroidit, et produit des nuages froids qui se mélangent avec le gaz chaud aux alentours. Certaines condensations forment des étoiles mais d'autres précipitent vers le trou noir. Ces précipitations sur le trou noir déclenchent des jets de particules énergétiques qui repoussent alors le gaz qui est en train de tomber vers le trou et le réchauffent. Une fois le gaz réchauffé, la formation d'étoiles est inhibée.

Ce cycle de refroidissements-réchauffages produit au final une boucle de rétroaction qui régule le grossissement des galaxies. 

Dans leur étude, Voit et ses collègues ont mesuré combien de temps il faudrait au gaz pour refroidir à différentes distances du trou noir. Ils ont ainsi pu déterminer la "météo" autour de chacun des trous noirs étudiés.

Ils trouvent que les boucles de rétroaction de précipitation générées par l'énergie des jets des trous noirs empêchent les pluies de nuages de gaz froid de devenir trop importantes. Plus du gaz froid tombe sur le trou noir, plus ce dernier produit des jets de particules qui réchauffent ce gaz.

Les données obtenues semblent indiquer que cette régulation de la précipitation de gaz froid a lieu au moins depuis les 7 derniers milliards d'années...

Il est clair que sans la présence de trous noirs supermassifs, les amas de galaxies auraient beaucoup plus d'étoiles qu'ils n'en ont aujourd'hui. Les chercheurs ont également mis le doigt sur certaines exceptions, où la précipitation cosmique de gaz froid paraît inexistante, l'intense échauffement dans ces galaxies centrales, potentiellement produit par une collision entre deux amas de galaxies, semble avoir vaincu tout refroidissement.

Il reste maintenant à savoir si le même phénomène de précipitation en boucle de rétroaction a lieu aussi au sein de petites galaxies comme la Voie Lactée. 

Sources : 

Cooling time, freefall time, and precipitation in the cores of ACCEPT galaxy clusters

G. Mark Voit and Megan Donahue
ApJ Letters  799 L1 (2015)

http://chandra.harvard.edu/

Observation en détails d'une galaxie extrêmement lointaine

Des galaxies très très lointaines, montrant un décalage vers le rouge supérieur à 7, soit une distance de plus de 13 milliards d’années-lumière ont été trouvées en assez grand nombre grâce au télescope spatial Hubble. Mais leur caractérisation s’est toujours avérée très difficile à partir de leur lumière ultra-violette qui permet généralement leur découverte. 

C’est en observant l’émission de gaz froid et de poussières dans l’infra-rouge lointain que l’on peut espérer obtenir des informations intéressantes sur la structure de ces galaxies.

Jusqu’à aujourd’hui, la galaxie la plus lointaine dont on a pu obtenir des informations spectrales en infra-rouge se situait à un décalage vers le rouge z=3,2 « seulement » (soit à 11,8 milliards d’années-lumière, voir la figure ci-dessous). Mais une équipe européenne impliquant  des astronomes danois, suédois, français, anglais et italien vient de mesurer pour la première fois le spectre d’une galaxie située à plus de 13,2 milliards d’années-lumière (montrant un décalage vers le rouge z=7,5).

Relation entre la distance (en A.L) et le décalage vers le rouge (redshift)

Cette galaxie se nomme A1689-zD1, il s’agit d’une galaxie archétypale des galaxies à formation d’étoiles intense de l’Univers jeune. Elle a pu être détectée et caractérisée grâce au fait qu’elle se trouve derrière un gros amas de galaxies, Abell 1689, qui produit sur elle un très fort effet de lentille gravitationnelle (déviation et amplification de sa lumière par son champ gravitationnel). Sa luminosité est ainsi amplifiée par un facteur 9,3, ce qui en fait, malgré sa faible luminosité intrinsèque, l’une des galaxies les plus brillantes situées à cette distance énorme.

Les astronomes parviennent à déterminer de nombreuses caractéristiques de cette galaxie, comme par exemple son taux de formation d’étoiles, via sa luminosité UV, et qui avoisine les 12 masses solaires par an. Elle produit donc environ un soleil par mois.

Ce que montre l’équipe animée par l’astronome danois Darach Watson, c’est aussi que A1689-zD1 semble déjà très évoluée : elle a (déjà) une relative grande masse stellaire (1,7 milliard de masses solaires en étoiles) et est déjà bien enrichie en poussières, avec un ratio poussières/gaz très similaire à celui de notre galaxie aujourd’hui. La masse totale de poussière est obtenue grâce à la mesure de la luminosité totale en infra-rouge qu’il faut corriger des effets de lentille et des effets du fond diffus cosmologique, et en faisant une hypothèse sur la température de cette poussière (ici 35 K), elle vaut la bagatelle de 40 millions de masses solaires. La masse de gaz, elle, est obtenue à partir de la taille de la galaxie et de son taux de formation d’étoiles, elle vaut 2 milliards de masses solaires.

La comparaison de la masse d’étoiles et de la masse de gaz montre que 55% de la matière baryonique de cette galaxie est sous forme de gaz, ce qui indique que cette galaxie a déjà formé la plupart de ses étoiles et métaux.

A1689-zD1 (Watson et al., Nature)

L’âge stellaire moyen y est estimé être de 80 millions d’années. La quantité de gaz ionisé « métallique » est signée par l’émission infra-rouge et indique que la galaxie a déjà fait exploser un certain nombre de supernovas. Vu l’âge des étoiles de cette galaxie, on en déduit de suite qu’il ne pouvait s’agir que d’étoiles très massives.  Quant à la quantité de poussière, l’origine est plus incertaine, mais le processus est forcément un processus rapide et l’observation de A1689-zD1 pose des limites fortes sur la vitesse d’enrichissement en poussière dans une galaxie présente dans un Univers d’à peine 500 millions d’années.

L’image qui se dégage pour cette galaxie est ou bien celle d’une galaxie formant des étoiles à un taux modéré depuis une centaine de millions d’années, ou bien celle d’une galaxie ayant connu une bouffée de formation d’étoiles très rapide et aujourd’hui en déclin. C’est en tous cas désormais la galaxie la plus lointaine connue à ce jour avec autant de paramètres astrophysiques.

Darach Watson et ses collègues concluent leur article paru dans Nature en évoquant les prouesses du réseau de radiotélescopes ALMA qui a permis de détecter A1689-zD1 en très peu de temps, ce qui offre des perspectives pour la découverte et l’étude d’autres galaxies aussi lointaines voire davantage, même sans l’aide de l’effet de lentille gravitationnelle.

Source :

A dusty, normal galaxy in the epoch of reionization

Darach Watson et al.

Nature , Published online 02 March 2015

10 ans chez le Seigneur des Anneaux (Saturne), par André Brahic

Conférence d'André Brahic sur la mission Cassini qui étudie le monde de Saturne, filmée aux Rencontres du Ciel et de l'Espace 2014. Excellent comme d'habitude... A voir absolument.

Découverte d'un trou noir de 12 milliards de masses solaires distant de 12,9 milliards d'années-lumière

Pour fabriquer un trou noir supermassif de plusieurs milliards de masses solaires, il faut un certain temps, surtout quand on estime que les graines de trous noirs qui donneront plus tard ces montres ne pèsent au départ que 100 000 masses solaires... Alors, que penser de ce monstre de 12 milliards de masses solaires qui vient d'être découvert, situé à plus de 12,9 milliards d'années-lumières de nous, c'est à dire dans un univers âgé d'à peine 875 millions d'années seulement ?

Cette découverte a été effectuée par une équipe sino-américaine et fait l'objet d'un article dans la revue britannique Nature cette semaine. Il s'agit tout simplement du trou noir supermassif le plus gros jamais découvert dans l'Univers âgé de moins de 1 milliard d'années.

Vue d'artiste d'un trou noir avec son disque d'accrétion
(Swinburne Astronomy Productions )

Il est appelé SDSS J010013.02+280225.8, ou plus simplement J0100+2802. Le précédent record dans cette catégorie des quasars ayant un décalage vers le rouge supérieur à 6, c'est à dire distants de plus de 12 milliards d'années-lumière (ils sont au nombre de 40 aujourd'hui), était un trou noir de "seulement" 2 milliards de masses solaires... 

J0100+2802 est aussi le trou noir supermassif qui montre le taux d'accrétion le plus énorme jamais entrevu, ce qui en fait également l'objet le plus brillant de l'Univers de cette époque (rappelons qu'un trou noir brille par son disque d'accrétion, le disque de matière qui lui tourne autour à très grande vitesse et qu'il dévore), le taux d'accrétion est égal à la quantité de matière absorbée par unité de temps. 

Les astrophysiciens sont parvenus à "mesurer" la masse de ce trou noir justement en observant la vitesse à laquelle le gaz de son disque d'accrétion tombait dedans. 

Reprenons. Les premières étoiles sont nées quand l'Univers avait environ 500 millions d'années. Ce trou noir supermassif au sein d'un quasar se trouve dans l'Univers âgé de 875 millions d'années, soit 6% de son âge actuel. Il s'est donc passé à peine quelques centaines de millions d'années entre l'apparition des premières étoiles et l'existence de cet objet hors norme. Théoriquement, ce n'est pas complètement impossible de parvenir à une masse pareille en si peu de temps, mais cela veut dire que ce trou noir montre un taux d'accrétion maximal depuis sa naissance, et ce durant plusieurs centaines de millions d'années. Or il existe une limite théorique à la durée de l'accrétion maximale d'un trou noir.

L'accrétion en elle-même ne peut dépasser une certaine limite, la limite d'Eddington, qui est fixée par la pression de radiation émise par le disque d'accrétion, et la durée maximale d'une accrétion au taux maximal était jusqu'à aujourd'hui estimée être de l'ordre de 100 millions d'années. Le calcul des astrophysiciens chinois montre que l'accrétion au taux limite d'Eddington pour ce trou noir produirait une masse de 13 milliards de masses solaires, mais en bien plus de 100 millions d'années.

Il semblerait que cette dernière limite doive être réévaluée désormais, à moins qu'il existe un phénomène qui empêche le rayonnement du disque d'accrétion d'inhiber l'accrétion (la chute de matière vers le trou noir) et que la limite d'Eddington puisse être dépassée. 

Une autre hypothèse se fait également jour pour expliquer l'existence d'un trou noir si massif en si peu de temps. Son origine pourrait ne pas être liée à la coalescence d'une ou plusieurs graines de trous noirs (trous noirs stellaires), mais directement lié à un effondrement gravitationnel de nuages de gaz plus précoce, sans passer par la phase étoiles, ce qui aurait pour effet de gagner beaucoup de temps et de démarrer avec une masse plus importante... On le voit, les astrophysiciens semblent pour le moins perplexes face à cette découverte. 

Par ailleurs, on constate généralement dans les galaxies proches qu'il existe une corrélation entre la masse totale des étoiles d'une galaxie et la masse du trou noir central ; plus la galaxie est grosse, plus le trou noir est gros. Si cette corrélation est la même dans l'Univers âgé de moins de 1 milliard d'années, cela impliquerait que la galaxie hôte de ce quasar découvert par Xue-Bing Wu et ses collègues posséderait entre 4000 et 9000 milliards d'étoiles... Ce qui en ferait l'une des plus grosses galaxies connues.

Il semble que la découverte de J0100+2802 renforce les idées disant que la croissance des trous noirs supermassifs est plus rapide que celle de leur galaxie hôte. Il sera donc très intéressant de se pencher de plus près vers cet objet abritant ce monstrueux trou noir pour étudier les étoiles qui l'accompagnent, et c'est ce que l'équipe chinoise projette de faire maintenant avec l'aide du télescope spatial Hubble.

Sources :

An ultraluminous quasar with a twelve-billion-solar-mass black hole at redshift 6.30

Wu, X.-B. et al. 

Nature 518, 512–515 (2015)

A giant in the young universe

B. Venemans

Nature 518, 490-491 (2015)

Aux Origines de la Nébuleuse d'Orion

La grande nébuleuse d'Orion (M42) est un incontournable de la constellation du même nom, et donc un incontournable du ciel d'hiver, la saison idoine pour observer les joyaux d'Orion. Cette magnifique nébuleuse qui est si vaste et brillante qu'elle peut être vue à l’œil nu malgré sa distance de 1350 années-lumière, a pourtant des origines assez mal comprises.

L'anneau de poussière découvert (en vert, à gauche),
l'anneau visible à droite était déjà connu et entoure
l'étoile Lambda Orionis. La nébuleuse d'Orion se trouve
dans la partie inférieure du grand anneau (Schafly et al.)

On sait qu'il s'agit d'une nurserie stellaire, là où naissent des centaines d'étoiles par condensation de gaz, mais d'où vient tout ce gaz est resté longtemps un mystère. De nouvelles observations grâce à une nouvelle technique d'imagerie de la région de M42 viennent de montrer l'existence d'un très vaste anneau de poussière de plusieurs centaines d'années-lumière, dont la nébuleuse ne fait qu'une petite partie. Cette découverte, publiée dans The Astrophysical Journal par une équipe  internationale, dont un astronome français, donne des indices sur l'origine de la Grande Nébuleuse : des explosions d'étoiles massives qui auraient été situées au centre de l'anneau actuel auraient pu éjecter quantité de poussière et de gaz qui par la suite aurait pu produire la nurserie d'Orion.

L'équipe animée par Eddie Schafly, du Max Planck Institute for Astronomy a trouvé cet anneau de poussière en utilisant le télescope Pan-STARRS de 1,8 m à Hawaï. Ils cherchaient de la poussière interstellaire en observant le rougissement caractéristique de la lumière d'étoiles lointaines produit par la présence de poussière. Ils ont cartographié ainsi la zone d'Orion en trois dimensions par l'observation de plus de 20 millions d'étoiles. Le diamètre de l'anneau découvert fait exactement 330 années-lumière de diamètre, il est si grand qu'on pourrait y inclure 27 pleines lunes... Et la grande nébuleuse d'Orion s'y trouve dans une de ses sections les plus denses. 

Les astrophysiciens proposent un scénario pour l'origine de la nébuleuse d'Orion à partir de la découverte de cet énorme anneau de poussière : il y a environ 10 millions d'années (la nébuleuse n'existait pas), un groupe d'étoiles massives apparurent. Ces étoiles très chaudes et lumineuses auraient émis un intense rayonnement UV qui ionise l'hydrogène interstellaire autour d'elles. Ce rayonnement produit une sorte de bulle de gaz et de poussière en expansion, qui se serait accéléré encore davantage lorsque les étoiles massives auraient explosé en supernovas.

La nébuleuse d'Orion (M42) imagée
par le télescope spatial Hubble
(ESA/NASA)

Puis une partie de la surface de la bulle aurait pu être suffisamment dense pour se recontracter sous l'effet de la gravitation et former de toutes nouvelles étoiles, notamment cette région très riche, rendant lumineux le gaz et la poussière, qu'on admire aujourd'hui tous les hivers sous le nom de Nébuleuse d'Orion.

Ce scénario est bien évidemment une première ébauche et nécessitera d'être confirmé. Pour cela, il faudra montrer que l'anneau de poussière est en expansion. Mesurer sa vitesse d'expansion permettra d'autre part de remonter le temps et de savoir quand à débuté cette expansion, et donc de déterminer assez précisément la séquence des événements qui ont donné naissance à la nébuleuse d'Orion.

La découverte de cet anneau de poussière s'avère une découverte importante pour mieux comprendre les phénomènes de formation d'étoiles, bien au-delà du cas particulier de la nurserie d'Orion...

Source : 

Three-dimensional Dust Mapping reveals that Orion Forms Part of a Large Ring of Dust

E. F. Schlafly et al. 

ApJ 799 116 (2015)

Qu'est ce que l'énergie sombre ? par Jean-Pierre Luminet

3 minutes 30 avec Jean-Pierre Luminet, ça ne peut pas faire de mal... bien au contraire.