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Une étoile à 9 milliards d’années-lumière pour Hubble

Une étoile à 9 milliards d’années-lumière pour Hubble

Grâce à un effet de lentille gravitationnelle (prévu par Einstein), le télescope spatial Hubble a saisi de façon isolée une étoile située à 9 milliards d’années-lumière, ce qui constitue un record pour ce type d’observation.

Sur orbite autour de la Terre depuis 1990, le télescope spatial Hubble, qui associe la NASA et l’Agence Spatiale Européenne (ESA), a battu de nombreux records, notamment en ce qui concerne les objets les plus lointains observés. C’est ainsi que les astronomes ont pu scruter des galaxies qui existaient seulement 400 millions d’années après le Big Bang, ce qui implique que leur lumière a parcouru 13,4 milliards d’années-lumière avant d’arriver dans les miroirs et les instruments d’Hubble. Mais qu’en est-il des étoiles ?

Icarus, une étoile à 9 milliards d’années-lumière

On le sait, les galaxies sont d’immenses rassemblements d’étoiles. Notre propre galaxie, la Voie Lactée, en contient ainsi 200 milliards. Techniquement, lorsqu’Hubble photographie une galaxie, même très lointaine, il perçoit la lumière émise par ses étoiles. Mais à de telles distances, les étoiles ne sont pas individuellement résolues… sauf dans des circonstances très particulières !
La plus courante concerne les supernovae. Certaines étoiles explosent en effet de façon cataclysmique en fin de vie, émettant alors une lumière intense qui permet de les distinguer même si elles sont dans des galaxies lointaines.

Mais pour l’étoile Icarus, annoncée comme étant la plus lointaine observée de façon isolée, le phénomène en jeu est celui de la lentille gravitationnelle, schématisée dans la vidéo ci-dessous.

Il est ici montrée une supernova dont la lumière est amplifiée et déformée par une galaxie. Mais il peut s’agir d’un amas de galaxies qui amplifie sans déformation une étoile comme c’est d’ailleurs le cas pour Icarus.

Rappelons ici que la lentille gravitationnelle découle de la théorie de la relativité d’Einstein : un objet massif courbant l’espace-temps, le trajet des rayons lumineux passant à sa proximité est dévié. C’est selon ce principe qu’en 1919, l’observation d’une éclipse de Soleil apporta une des premières confirmations de la théorie d’Einstein puisque des étoiles scrutées près de notre astre du jour éclipsé (sinon l’observation était impossible) n’étaient pas exactement à leur place. La très faible déviation constatée correspondait au fait que la masse du Soleil courbait l’espace-temps et avait ainsi altéré le trajet de la lumière issue de ces étoiles et créé un mirage gravitationnel.
L’effet de lentille gravitationnelle s’applique aussi avec des galaxies ou des amas de galaxies. Les masses en jeu sont telles qu’elles dévient alors la lumière issue d’autres galaxies situées en arrière-plan et bien plus loin. C’est même une aubaine car se produit alors un effet amplificateur qui autorise l’observation d’objets très lointains.

Dans le détail en bas à droite, la flèche pointe vers l’étoile Icarus, distante de 9 milliards d’années-lumière. Sans l’effet de lentille gravitationnelle, cette étoile n’aurait pas été observée par Hubble. Crédit : ESA/NASA and P. Kelly (University of Minnesota)

Dans le détail en bas à droite, la flèche pointe vers l’étoile Icarus, distante de 9 milliards d’années-lumière. Sans l’effet de lentille gravitationnelle, cette étoile n’aurait pas été observée par Hubble.
Crédit : ESA/NASA and P. Kelly (University of Minnesota)

Et c’est ce qui c’est produit avec l’étoile baptisée Icarus, de son véritable matricule MACS J1149+2223 Lensed Star 1. Distante de nous de 9 milliards d’années-lumière, elle a été repérée sur des clichés d’Hubble par une équipe qui comprend les astronomes Jose Diego de l’Instituto de Física de Cantabria en Espagne et Steven Rodney de l’University of South Carolina aux États-Unis. L’effet de lentille gravitationnelle est fourni par un amas de galaxies situé plus près à 5 milliards d’années-lumière. En 2011, Icarus n’est pas visible alors qu’elle apparaît en 2016. Pour quelle raison ? Parce qu’entre temps, l’effet de lentille gravitationnelle a été amplifié par le passage d’une autre étoile de la masse du Soleil entre nous et Icarus. Cette autre étoile providentielle appartient à l’une des galaxies de l’amas situé à 5 milliards d’années. Le facteur d’amplification est loin d’être négligeable puisqu’il est estimé à 600 ! Bien évidemment, les astronomes se sont demandé s’il ne s’agissait pas d’une supernova, mais la signature spectrale d’Icarus s’avère être typique des supergéantes bleues et non de celle d’une supernova.

Ce sont ces éléments qui font que MACS J1149+2223 Lensed Star 1 (ou Icarus qui n’est pas une dénomination officielle) est considérée pour le moment comme l’étoile la plus lointaine observée de façon distincte et isolée d’autres.

À la recherche de la matière noire

Toutefois, l’aspect record est loin d’être le plus intéressant pour les astronomes. Une lentille gravitationnelle dépend directement de la masse de l’objet ou du groupe d’objets qui dévie les rayons lumineux. En raisonnant à rebours pour ainsi dire, on peut donc déterminer la masse de cet objet ou groupe d’objets, un indice très important pour l’étude de la matière noire, cette matière qu’on ne voit pas mais dont on constate les effets gravitationnels. Et de premiers résultats sont déjà là. Une des hypothèses pour la matière noire repose en effet sur de nombreux trous noirs primordiaux (chacun d’une masse d’environ 10 fois notre Soleil) créés lors du Big Bang. Or, les observations via les lentilles gravitationnelles semblent contredire cette idée car pour la confirmer il aurait fallu que les fluctuations de luminosité d’Icarus par exemple soient plus importantes, ce qui n’est pas le cas.