Le télescope spatial James-Webb a découvert le plus lointain anneau d'Einstein découvert à ce jour. Mais les astrophysiciens sont perplexes car l'effet de lentille gravitationnelle qu'il manifeste implique un manque de masses dont on ne comprend pas encore l'origine. Il faudrait peut-être revoir la façon dont les étoiles se forment et peut-être les galaxies avec la matière noire.
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Même si nous n'avons trouvé toujours aucune trace de l'existence des particules de matière noirematière noire, que ce soit dans des collisions de protons au LHC ou sous forme d'un excès de photons gamma ou d'antimatière dans les rayons cosmiques en raison de la désintégration de ces particules, cette matière noire reste encore un ingrédient incontournable de la cosmologie moderne pour faire naître les galaxiesgalaxies.
Ce qui est sûr, c'est que l'un des moyens de mettre en évidence des distributions de matière noire et d'en évaluer les massesmasses consiste à utiliser l'effet de lentille gravitationnellelentille gravitationnelle fournie par les équationséquations de la relativité généralerelativité générale. Un espace-tempsespace-temps courbé par une distribution de matière dévie en effet les rayons lumineux à la façon d'une loupe, produisant divers types de lentilles comme l'explique la vidéo ci-dessous.
Dans le vide, la lumière se déplace habituellement en ligne droite. Mais dans un espace déformé par un corps céleste massif, comme une galaxie, cette trajectoire est déviée ! Ainsi, une source lumineuse située en arrière d’une galaxie a une position apparente différente de sa position réelle : c’est le phénomène de mirage gravitationnel. Cette vidéo est originaire du webdocumentaire « L’Odyssée de la Lumière » et a été intégrée au webdocumentaire « Embarquez avec la Matière Noire ». © CEA, Animea
Un manque de matière noire et de matière baryonique ?
Comme l'explique un article déposé sur arXiv et dans son fil TwitterTwitter l'un des auteurs de cette découverte l'astronomeastronome Pieter van Dokkum de la Yale University, le JWSTJWST, dans le cadre du Cosmic Evolution Survey (COSMOS), a mis en évidence ce qui apparaît comme le plus lointain anneau d’Einstein connu à ce jour. Il est produit par une galaxie connue sous le nom de JWST-ER1 située à un redshiftredshift de z = 2 dans le langage des astronomes, ce qui veut dire en gros que la longueur d'ondelongueur d'onde des photons de cette galaxie a été dilatée d'un facteur 2, produisant un décalage spectral vers le rouge, entre le moment où ils ont été émis il y a environ 10 milliards d'années et le moment où ils ont été capturés par les instruments du JWST dans l'infrarougeinfrarouge proche. L'image déformée en anneau d'une autre galaxie se trouverait, elle, a un redshift photométrique de z = 2,98.
JWST-ER1, avec un diamètre apparent de 1,54 seconde d'arcseconde d'arc, est une de ces jeunes galaxies compactes massives qui étonnent les astronomes depuis quelque temps. Elle doit représenter une phase primitive de ce qui plus tard dans le cosmoscosmos observable est appelé une galaxie elliptiquegalaxie elliptique, presque dépourvue de gazgaz et ne formant donc presque plus d'étoilesétoiles. Ce qui est sûr, c'est qu'elle nous montre une phase où la dispersion des étoiles nouvellement formées dans des amas ouverts ne s'est pas encore produite au point d'avoir mélangé toutes les étoiles de ces galaxies.
Toutefois, les astronomes sont tombés sur une énigme dans le cas de JWST-ER1. La masse présente en rapport avec l'anneau d'EinsteinEinstein observé dans un rayon de 6,6 kiloparsecs est d'environ 6,5 × 1011 masses solaires. En revanche, la masse stellaire dans le même rayon est estimée à environ 1,1 × 1011 masses solaires. La contribution de la matière noire au sein de l'anneau d'Einstein est également déterminée comme étant d'environ 2,6 × 1011 fois la masse du SoleilSoleil.
En résumé, la masse de la lentille est près de six fois supérieure à la masse stellaire mais selon le modèle cosmologique standardmodèle cosmologique standard, et malgré la part de matière noire dans le noyau compact que l'on peut déduire, il devrait y avoir plus de masse stellaire que cela.
On pourrait imaginer que la masse manquante est sous forme de nuagenuage de gaz de matière normale mais la quantité déduite et surtout la densité devrait provoquer des flambées de production de nouvelles étoiles par effondrementeffondrement gravitationnel, ce que l'on n'observe pas.
Une autre possibilité existe, celle d'une fonction initiale de masse favorisant la présence d'étoiles de faibles masses et notamment aussi de naines brunesnaines brunes.
Une fonction initiale de masse non universelle ?
En astronomie, la fonction initiale de masse (initial mass function, abrégée en IMF en anglais) est la relation qui décrit la distribution des masses des étoiles pour une population d'étoiles nouvellement formées par effondrement gravitationnel dans une galaxie. On a tendance à penser qu'elle est largement universelle dans le temps et l'espace et donc qu'on trouvera les mêmes proportions d'étoiles de masses données dans un jeune amas ouvert d'étoilesamas ouvert d'étoiles nouveau né qu'il soit dans la Voie lactéeVoie lactée, dans la galaxie d'Andromèdegalaxie d'Andromède actuellement ou dans une galaxie bien plus lointaine et observée telle qu'elle était il y a des milliards d'années.
L'IMF généralement utilisée est celle du célèbre astrophysicien Salpeter. Mais d'autres existent et enfin il est possible que l'IMF ne soit pas universelle. Quand JWST-ER1 était encore plus jeune, environ 1,9 milliard d'années après le Big BangBig Bang à sa naissance probable, elle produisait peut-être plus d'étoiles de faibles masses que ne le font les galaxies spiralesgalaxies spirales actuelles.
Il existe une autre possibilité qui ne nécessite pas forcément de changer un peu le modèle standardmodèle standard avec de la matière noire qui pourrait se concentrer plus fortement que prévu dans une galaxie du type de JWST-ER1 ou changer l'IMF, ce qui de toute façon aussi conduit à un changement de nos modèles de la formation des étoiles et de l'évolution des galaxies.
Il se trouve qu'il y a des incertitudes sur le décalage spectral des étoiles observées dans l'anneau d'Einstein. Si le décalage est le même que pour JWST-ER1, alors nous ne voyons pas le plus ancien anneau d'Einstein connu à ce jour mais ce que l'on appelle un objet de Hoag, une galaxie atypique qui prend la forme d'une galaxie à anneau. La première fut découverte en 1950 par l'astronome Arthur Hoag qui l'identifia comme une nébuleuse planétairenébuleuse planétaire ou une galaxie particulière.
