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 évolué 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