Cette photo du télescope spatial Hubble montre trois images agrandies d’une galaxie lointaine intégrée dans un groupe de galaxies. Ces images sont produites par une astuce de la nature appelée lentille gravitationnelle. La gravité massive de l’amas de galaxies amplifie et déforme la lumière de la galaxie lointaine derrière lui, créant de multiples images. L’amas de galaxies, classé SDSS J223010.47-081017.8, est situé à 7 milliards d’années-lumière de la Terre. Hubble a observé de nombreuses galaxies avec des lentilles gravitationnelles. Cependant, les images capturées dans cet instantané Hubble sont uniques. Deux des images agrandies, affichées dans les nuages en bas à droite, sont des copies exactes l’une de l’autre. Les deux ovales brillants sont le cœur de la galaxie. Ce phénomène rare se produit parce que la galaxie d’arrière-plan est une ondulation dans le tissu de l’espace. Cette « ondulation » est une région de plus grande inflation, en raison de l’attraction de quantités denses de matière noire, la colle invisible qui constitue la majeure partie de la masse de l’univers. Au fur et à mesure que la lumière de la galaxie lointaine traverse l’amas le long de cette ondulation, deux images miroir sont produites, ainsi qu’une troisième image qui peut être vue de côté. Un gros plan de la troisième image est affiché dans les nuages en haut à droite. Cette image est très similaire à la galaxie lointaine, qui est située à plus de 11 milliards d’années-lumière. Sur la base de cette reconstruction de cette image, les chercheurs ont déterminé que la galaxie lointaine semble être une spirale en zigzag avec une formation continue d’étoiles en bloc. Les images miroirs portent le nom du « corps de Hamilton » de l’astronome qui les a découvertes. Crédit : Joseph DePasquale (STScI)
Regarder dans l’univers, c’est comme regarder dans le miroir d’une maison amusante. C’est parce que la gravité déforme le tissu de l’espace, créant des illusions d’optique.
Beaucoup de ces illusions d’optique apparaissent lorsque la lumière d’une galaxie lointaine est agrandie, étirée et illuminée lorsqu’elle traverse une galaxie massive ou un amas de galaxies devant elle. Ce phénomène, appelé lentille gravitationnelle, produit des images multiples, étendues et lumineuses de la galaxie d’arrière-plan.
Ce phénomène permet aux astronomes d’étudier des galaxies si loin qu’elles ne peuvent être vues qu’à travers les effets d’une lentille gravitationnelle. Le défi est d’essayer de reconstituer des galaxies lointaines à partir des formes étranges produites par les lentilles.
Mais les astronomes utilisent Le télescope spatial Hubble Je suis tombé sur une forme si étrange en analysant les quasars, les noyaux fumants des galaxies actives. Ils ont repéré deux objets linéaires brillants qui semblaient être des images miroir l’un de l’autre. Un autre être étrange était à proximité.
Ces caractéristiques ont tellement dérouté les astronomes qu’il leur a fallu plusieurs années pour percer le mystère. Avec l’aide de deux experts en lentilles gravitationnelles, les chercheurs ont déterminé que les trois objets étaient des images déformées d’une galaxie lointaine et non découverte. Mais la plus grande surprise était que les objets linéaires étaient des copies exactes les uns des autres, un événement rare causé par l’alignement précis de la galaxie d’arrière-plan et de son groupe de lentilles au premier plan.
Animation 3D montrant le télescope spatial Hubble au-dessus de la Terre. Crédit : ESA/Hubble (M. Kornmesser & LL Christensen)
Les astronomes ont vu des choses très étranges dispersées dans notre vaste univers, des étoiles qui explosent aux galaxies en collision. Par conséquent, vous pourriez penser que lorsqu’ils verront un corps céleste étrange, ils seront capables de l’identifier.
mais NasaLe télescope spatial Hubble a découvert ce qui semble être une paire d’objets similaires si étranges qu’il a fallu plusieurs années aux astronomes pour déterminer ce qu’ils sont.
« Nous étions vraiment déconcertés », a déclaré l’astronome Timothy Hamilton de la Shawnee State University à Portsmouth, Ohio.
Les ovnis se composent d’une paire de renflements galactiques (l’axe central rempli d’étoiles d’une galaxie) et d’au moins trois lignes parallèles séparées. Hamilton les a découverts par hasard en utilisant Hubble pour étudier un groupe de quasars, les noyaux fumants de galaxies actives.
Après avoir poursuivi des théories sans issue, demandé de l’aide à des collègues et fait beaucoup de grattage, Hamilton et l’équipe grandissante dirigée par Richard Griffiths de l’Université d’Hawaï à Hilo, ont finalement rassemblé tous les indices pour résoudre le mystère.
Les objets linéaires étaient des images étirées d’une galaxie lointaine avec une lentille gravitationnelle, située à plus de 11 milliards d’années-lumière. Ils semblaient être des images identiques l’un de l’autre.
L’équipe a découvert que l’immense gravité d’un groupe de galaxies superposées et non incorporées au premier plan des galaxies déforme, amplifie, éclaircit et étend l’espace d’une galaxie lointaine derrière elle, un phénomène appelé lentille gravitationnelle. Bien que les études de Hubble révèlent bon nombre de ces distorsions de miroir et de miroir causées par la lentille gravitationnelle, cet objet a été particulièrement mystifiant.
Dans ce cas, un alignement subtil entre une galaxie à l’arrière-plan et un amas de galaxies au premier plan donne deux copies agrandies de la même image de la galaxie lointaine. Ce phénomène rare se produit parce que la galaxie d’arrière-plan est une ondulation dans le tissu de l’espace. Cette « ondulation » est une région de plus grande inflation, en raison de l’attraction de quantités denses de matière noire, la colle invisible qui constitue la majeure partie de la masse de l’univers. Au fur et à mesure que la lumière de la galaxie lointaine traverse l’amas le long de cette ondulation, deux images miroir sont produites, ainsi qu’une troisième image qui peut être vue de côté.
Griffiths compare cet effet aux motifs ondulés brillants observés au fond d’une piscine. « Pensez à la surface ondulante d’une piscine par une journée ensoleillée, montrant des motifs de lumière vive au fond de la piscine », a-t-il expliqué. Ces motifs brillants en bas sont causés par un type similaire d’effet de lentille gravitationnelle. Les ondulations à la surface agissent comme des lentilles partielles et concentrent la lumière du soleil sur des motifs en zigzag brillants en dessous. »
Dans une galaxie lointaine avec une lentille gravitationnelle, l’ondulation grossit et déforme la lumière de la galaxie d’arrière-plan passant à travers l’amas. L’ondulation agit comme un miroir imparfaitement courbé qui génère les duplex.
Résoudre le puzzle
Mais ce phénomène rare n’était pas bien connu lorsque Hamilton a découvert les étranges caractéristiques linéaires en 2013.
Alors qu’il regardait à travers les images du quasar, le plan d’images réfléchissantes et de lignes parallèles est apparu. Hamilton n’avait jamais rien vu de tel auparavant, et aucun des autres membres de l’équipe ne l’avait eu.
« Ma première pensée était qu’ils auraient pu interagir avec des galaxies avec les bras tendus de manière pointue », a déclaré Hamilton. « Ça ne collait pas vraiment, mais je ne savais pas quoi penser non plus. »
Hamilton et l’équipe se sont donc lancés dans leur quête pour résoudre le mystère de ces lignes droites déroutantes, qui ont ensuite été surnommées « l’objet Hamilton » pour leur découvreur. Ils ont montré l’image étrange à des collègues lors de conférences d’astronomie, qui ont suscité une variété de réponses, des cordes cosmiques aux nébuleuses planétaires.
Mais ensuite, Griffiths, qui n’était pas membre de l’équipe d’origine, a offert l’explication la plus plausible lorsque Hamilton lui a montré l’image lors d’une réunion de la NASA en 2015. Il s’agissait d’une image agrandie et déformée causée par un phénomène de lentille similaire à celui vu à Hubble. D’autres images d’amas de galaxies massives amplifient les images de galaxies très lointaines. Griffiths a confirmé cette idée lorsqu’il a appris l’existence d’un objet linéaire similaire dans une étude Hubble de l’amas profond.
Cependant, les chercheurs étaient toujours confrontés à un problème. Ils n’ont pas pu déterminer la masse de la lentille. En règle générale, les astronomes qui étudient les amas de galaxies voient d’abord l’amas de premier plan provoquant la réflexion, puis trouvent les images agrandies des galaxies distantes au sein de l’amas. La recherche des images du Sloan Digital Sky Survey a révélé un amas de galaxies dans la même région que les images agrandies, mais elles n’apparaissaient dans aucun relevé indexé. Cependant, le fait que les images étranges se trouvaient au centre d’un amas montrait clairement à Griffiths que l’amas produisait des images lenticulaires.
L’étape suivante des chercheurs consistait à déterminer si les trois images étaient prises à la même distance et étaient donc toutes des images déformées de la même galaxie distante. Des mesures spectroscopiques avec les observatoires Gemini et WM Keck à Hawaï ont aidé les chercheurs à confirmer cette affirmation, montrant que les images provenaient d’une galaxie située à plus de 11 milliards d’années-lumière.
La galaxie lointaine, basée sur la reconstruction de la troisième image avec une lentille, ressemble à un vortex en zigzag avec une formation continue d’étoiles grumeleuses.
À peu près au même moment que les observations spectroscopiques faites par Griffith et des étudiants de premier cycle à Hilo, un groupe distinct de chercheurs de Chicago a déterminé la masse et mesuré sa distance à l’aide des données de Sloan. L’amas est situé à plus de 7 milliards d’années-lumière.
Mais avec si peu d’informations sur le cluster, l’équipe de Griffiths avait encore du mal à expliquer ces formes de lentilles inhabituelles. « Cette lentille gravitationnelle est très différente de la plupart des lentilles que Hubble a étudiées auparavant, en particulier dans l’étude des amas Hubble Frontier Fields », a expliqué Griffiths. « Vous n’avez pas besoin de regarder ces amas trop longtemps pour trouver de nombreuses lentilles. Dans cet objet, c’est la seule lentille que nous ayons. Et nous ne connaissions même pas l’amas au début. »
Cartographie invisible
C’est alors que Griffith a contacté une experte en théorie des lentilles gravitationnelles, Jenny Wagner de l’Université de Heidelberg en Allemagne. Wagner a étudié des objets similaires et, avec son collègue Nicholas Tessur, maintenant à l’Université de Manchester en Angleterre, a développé un programme informatique pour interpréter des lentilles uniques comme celles-ci. Leur logiciel a aidé l’équipe à découvrir comment les trois images sont apparues avec un objectif. Ils ont conclu que la matière noire autour des images étendues devrait être « doucement » distribuée dans l’espace à petite échelle.
« C’est formidable que nous n’ayons besoin que de deux images miroir pour mesurer à quel point la matière noire est grumeleuse ou non dans ces positions », a déclaré Wagner. « Ici, nous n’utilisons aucun modèle d’objectif. Nous prenons juste ce qui peut être observé à partir des multiples images et du fait qu’elles peuvent être transformées les unes dans les autres. Elles peuvent être pliées ensemble par notre méthode. Cela nous donne vraiment une idée de la fluidité de la matière noire dans ces deux positions. »
Cette découverte est importante, a déclaré Griffiths, car les astronomes ne savent toujours pas ce qu’est la matière noire, près d’un siècle après sa découverte. Nous savons que c’est une forme de matière, mais nous n’avons aucune idée de la composition de la particule. Donc on ne sait pas du tout comment il se comporte. Nous savons seulement qu’il a une masse et qu’il est soumis à la gravité. L’importance des limites de taille dans l’agglomération, ou lissé, est qu’elles nous donnent quelques indices sur ce qu’est une particule. Plus la matière noire est petite, plus les particules doivent être massives. »
Le document de l’équipe paraît dans le numéro de septembre de Avis mensuels de la Royal Astronomical Society.
Référence : « Hamilton’s Body – A Clustered Galaxy Stretching Along the Caustic Gravity of a Galactic Crowd: Constraints on Dark Matter Clustering » par Richard E. Griffiths, Mitchell Rudisel, Jenny Wagner, Timothy Hamilton, Bo Chih Huang et Caroline Felforth, 17 mai 2021, Avis mensuels de la Royal Astronomical Society.
DOI : 10.1093/mnras/stab1375
Le télescope spatial Hubble est un projet de collaboration internationale entre la NASA et l’Agence spatiale européenne (ESA). Le télescope est exploité par le Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland. Le Space Telescope Science Institute (STScI) à Baltimore, Maryland, mène des opérations scientifiques Hubble. STScI est exploité pour la NASA par le Consortium of Universities for Research in Astronomy à Washington, DC