Le télescope spatial Hubble de la NASA/ESA a capturé l’image de la toute première explosion de supernova prédite. La réapparition de la supernova de Refsdal a été calculée à partir de différents modèles de l’amas de galaxies dont l’immense gravité déforme la lumière de la supernova.
Troisième apparition de la supernova Refsdal. Cette image composite montre l’apparence de la supernova Refsdal telle qu’elle a été observée le 11 décembre 2015 avec le télescope spatial Hubble de la NASA/ESA. L’image de gauche montre une partie de l’observation en champ profond de l’amas de galaxies MACS J1149.5+2223 du programme Frontier Fields. Le cercle indique la position de la plus récente apparition de la supernova. En bas à droite, l’événement croisé d’Einstein de fin 2014 est visible. L’image en haut à droite montre les observations de Hubble d’octobre 2015, prises au début du programme d’observation de la supernova. L’image en bas à droite montre la découverte de la supernova Refsdal le 11 décembre, comme prédit par plusieurs modèles différents. Crédit image : © NASA, ESA.
De nombreuses étoiles terminent leur vie en beauté, mais seules quelques-unes de ces explosions stellaires ont été prises sur le fait. Lorsqu’ils le sont, les repérer avec succès a été une pure chance – jusqu’à présent. Le 11 décembre 2015, les astronomes ont non seulement imaginé une supernova en action, mais l’ont vue quand et où ils l’avaient prédite. La supernova, surnommée Refsdal [1], a été repérée dans l’amas de galaxies MACS J1149.5+2223. Alors que la lumière de l’amas a mis environ cinq milliards d’années pour nous parvenir, la supernova elle-même a explosé beaucoup plus tôt, il y a près de 10 milliards d’années [2]. L’histoire de Refsdal a commencé en novembre 2014 lorsque les scientifiques ont repéré quatre images distinctes de la supernova dans un arrangement rare connu sous le nom de croix d’Einstein autour d’une galaxie au sein de MACS J1149.5+2223 (heic1505) [3]. L’illusion d’optique cosmique était due à la masse d’une seule galaxie au sein de l’amas déformant et grossissant la lumière de l’explosion stellaire lointaine dans un processus connu sous le nom de lentille gravitationnelle [4].
“En étudiant la supernova, nous nous sommes rendu compte que la galaxie dans laquelle elle a explosé est déjà connue pour être une galaxie lentille de l’amas”, explique Steve Rodney, co-auteur, de l’Université de Caroline du Sud. “La galaxie hôte de la supernova nous apparaît dans au moins trois images distinctes causées par la masse déformée de l’amas de galaxies”.
Ces multiples images de la galaxie présentaient une opportunité rare. Comme la matière de l’amas – à la fois sombre et visible – est répartie de manière inégale, la lumière créant chacune de ces images prend un chemin différent avec une longueur différente. Par conséquent, les images de la galaxie hôte de la supernova sont visibles à des moments différents. En utilisant d’autres galaxies à lentilles au sein de l’amas et en les combinant avec la découverte de l’événement Einstein Cross en 2014, les astronomes ont pu faire des prédictions précises pour la réapparition de la supernova. Leurs calculs ont également indiqué que la supernova est apparue une fois auparavant dans une troisième image de la galaxie hôte en 1998 – un événement qui n’a été observé par aucun télescope. Pour faire ces prédictions, ils ont dû utiliser des techniques de modélisation très sophistiquées.
“Nous avons utilisé sept modèles différents du cluster pour calculer quand et où la supernova allait apparaître dans le futur. C’était un énorme effort de la part de la communauté pour rassembler les données d’entrée nécessaires à l’aide de Hubble, VLT-MUSE et Keck et pour construire les modèles de lentilles”, explique Tommaso Treu, auteur principal de l’article de comparaison de modélisation, de l’Université de Californie à Los Angeles, États-Unis. “Et remarquablement, les sept modèles ont prédit approximativement le même laps de temps pour l’apparition de la nouvelle image de l’étoile qui explose”.
Depuis fin octobre 2015, Hubble scrute périodiquement le MACS J1149.5+2223, dans l’espoir d’observer la répétition unique de l’explosion lointaine et de prouver que les modèles sont corrects. Le 11 décembre, Refsdal a finalement fait sa réapparition prévue, mais néanmoins spectaculaire. “Hubble a présenté la méthode scientifique moderne à son meilleur”, commente Patrick Kelly, auteur principal des articles sur la découverte et la réapparition et co-auteur de l’article de comparaison de modélisation de l’Université de Californie à Berkeley, aux États-Unis. “Tester les prédictions par le biais d’observations fournit des moyens puissants d’améliorer notre compréhension du cosmos”.
La détection de la réapparition de Refsdal a été une occasion unique pour les astronomes de tester leurs modèles sur la distribution de la masse – en particulier celle de la mystérieuse matière noire – au sein de cet amas de galaxies. Les astronomes sont maintenant impatients de voir quelles autres surprises le programme Hubble Frontier Fields en cours apportera à la lumière.
Notes
[1] La supernova a été surnommée Refsdal en l’honneur de l’astronome norvégien Sjur Refsdal, qui, en 1964, a proposé pour la première fois d’utiliser des images retardées d’une supernova à lentilles pour étudier l’expansion de l’Univers.
[2] L’observatoire W. M. Keck sur le Mauna Kea, à Hawaï, a été utilisé pour mesurer le décalage vers le rouge de la galaxie hôte de la supernova (z = 1,491), qui est une approximation de sa distance.
[3] Hubble a observé MACS J1149.5+2223 dans le cadre du Grism Lens Amplified Survey from Space (GLASS) et du programme Frontier Fields. Les deux enquêtes exploitent les propriétés de lentille des amas de galaxies pour examiner la matière noire en leur sein et certaines des galaxies les plus éloignées au-delà.
[4] La lentille gravitationnelle amplifie la lumière des objets d’arrière-plan plus faibles, permettant à Hubble d’espionner des galaxies qu’il ne serait autrement pas en mesure de détecter. Le processus a été prédit pour la première fois par Albert Einstein et est maintenant exploité par le programme Frontier Fields afin de trouver certaines des galaxies les plus éloignées de l’Univers.
Plus d’information
Le télescope spatial Hubble est un projet de coopération internationale entre l’ESA et la NASA.
Source : ESA.