Hubble utilise une lentille cosmique pour découvrir l’étoile la plus éloignée jamais observée [heic1807]

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Les astronomes utilisant le télescope spatial Hubble de la NASA/ESA ont trouvé l’étoile la plus éloignée jamais découverte. L’étoile bleue chaude n’existait que 4,4 milliards d’années après le Big Bang. Cette découverte apporte un nouvel éclairage sur la formation et l’évolution des étoiles dans l’Univers primordial, les constituants des amas de galaxies et aussi sur la nature de la matière noire.

Apparition de l’étoile la plus éloignée. Crédit: NASA & ESA and P. Kelly (University of California, Berkeley).

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L’équipe internationale, dirigée par Patrick Kelly (Université du Minnesota, États-Unis), Jose Diego (Instituto de Física de Cantabria, Espagne) et Steven Rodney (Université de Caroline du Sud, États-Unis), a découvert l’étoile lointaine dans l’amas de galaxies MACS J1149-2223 en avril 2016. Les observations avec Hubble ont en fait été effectuées afin de détecter et de suivre la dernière apparition de l’explosion de supernova à lentille gravitationnelle surnommée “Refsdal” (heic1525) [1], lorsqu’une source ponctuelle inattendue s’est illuminée dans la même galaxie qui abritait la supernova. “Comme l’explosion de la supernova Refsdal, la lumière de cette étoile lointaine a été agrandie, la rendant visible pour Hubble”, explique Patrick Kelly. “Cette étoile est au moins 100 fois plus éloignée que la prochaine étoile individuelle que nous pouvons étudier, à l’exception des explosions de supernova.”

La lumière observée de l’étoile nouvellement découverte, appelée Lensed Star 1 (LS1) a été émise alors que l’Univers n’avait qu’environ 30 % de son âge actuel, soit environ 4,4 milliards d’années après le Big Bang. La détection de l’étoile par Hubble n’a été possible que parce que la lumière de l’étoile a été agrandie 2000 fois. “L’étoile est devenue suffisamment brillante pour être visible pour Hubble grâce à un processus appelé lentille gravitationnelle”, explique Jose Diego. La lumière du LS1 a été amplifiée non seulement par l’énorme masse totale de l’amas de galaxies, mais aussi par un autre objet compact d’environ trois fois la masse du Soleil à l’intérieur de l’amas de galaxies lui-même ; un effet connu sous le nom de microlentille gravitationnelle [2].

“La découverte de LS1 nous permet de recueillir de nouvelles informations sur les constituants de l’amas de galaxies. Nous savons que la microlentille a été causée soit par une étoile, soit par une étoile à neutrons, soit par un trou noir de masse stellaire”, explique Steven Rodney. Le LS1 permet donc aux astronomes d’étudier les étoiles à neutrons et les trous noirs, autrement invisibles, et ils peuvent estimer combien de ces objets sombres existent dans cet amas de galaxies. Comme les amas de galaxies sont parmi les structures les plus grandes et les plus massives de l’Univers, en apprendre davantage sur leurs constituants augmente également nos connaissances sur la composition de l’Univers dans son ensemble. Cela inclut des informations supplémentaires sur la mystérieuse matière noire.

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“Si la matière noire est au moins partiellement constituée de trous noirs de masse relativement faible, comme cela a été récemment proposé, nous devrions pouvoir le voir dans la courbe de lumière du LS1. Nos observations ne favorisent pas la possibilité qu’une fraction élevée de la matière noire est constituée de ces trous noirs primordiaux avec environ 30 fois la masse du Soleil”, souligne Kelly. Après la découverte, les chercheurs ont de nouveau utilisé Hubble pour mesurer un spectre de LS1. Sur la base de leur analyse, les astronomes pensent que LS1 est une étoile supergéante de type B. Ces étoiles sont extrêmement lumineuses et de couleur bleue, avec une température de surface comprise entre 11 000 et 14 000 degrés Celsius ; ce qui les rend plus de deux fois plus chauds que le Soleil.

Mais ce n’était pas la fin de l’histoire. Des observations faites en octobre 2016 ont soudainement montré une deuxième image de l’étoile. “Nous avons en fait été surpris de ne pas avoir vu cette deuxième image dans les observations précédentes, car la galaxie dans laquelle se trouve l’étoile peut également être vue deux fois”, commente Diego. “Nous supposons que la lumière de la deuxième image a été déviée par un autre objet massif en mouvement pendant longtemps – nous cachant essentiellement l’image. Et ce n’est que lorsque l’objet massif est sorti de la ligne de visée que la deuxième image de l’étoile est devenue visible.” Cette deuxième image et l’objet bloquant ajoutent une autre pièce du puzzle pour révéler la composition des amas de galaxies.

Avec plus de recherche et l’arrivée de nouveaux télescopes plus puissants comme le télescope spatial NASA/ESA/CSA James Webb, les astronomes suggèrent qu’avec les microlentilles, il sera possible d’étudier l’évolution des premières étoiles de l’Univers plus en détail que jamais attendu.

Notes

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[1] Les observations de cette supernova, surnommée Refsdal en l’honneur de l’astronome norvégien Sjur Refsdal, ont été faites dans le cadre du projet Frontier Fields de Hubble.

[2] La lentille gravitationnelle amplifie la lumière des objets d’arrière-plan plus faibles, permettant à Hubble de voir des objets qu’il ne pourrait autrement pas détecter. Le processus a été prédit pour la première fois par Albert Einstein et est maintenant utilisé pour trouver certains des objets les plus éloignés de l’univers. Habituellement, l’objet lentille est une galaxie ou un amas de galaxies, mais dans certains cas, il peut aussi s’agir d’une étoile ou même d’une planète. Lorsqu’il s’agit de ces objets plus petits, le processus est appelé microlentille.

Plus d’information

Le télescope spatial Hubble est un projet de coopération internationale entre l’ESA et la NASA.

Les résultats ont été publiés dans l’article “Extreme magnification of an individual star at redshift 1.5 by a galaxy-cluster lens” qui sera publié dans Nature Astronomy.

Source: ESA.

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