Une vue du télescope Hubble en orbite, l'un des instruments utilisés pour déterminer la nature de l'énergie noire en étudiant les supernovae SN Ia © Nasa

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Un cas rare de supernova pourrait ouvrir une nouvelle ère en cosmologie

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iPTF16geu est la première supernova SN Ia dont on a observé l'image démultipliée par quatre en raison d'un effet de lentille gravitationnelle forte. Ce genre d'objet devrait permettre de mesurer avec plus de précision la constante de Hubble et donc de déterminer indirectement, peut-être, les caractéristiques de la constante cosmologique. Cela pourrait nous donner la clé de l'énigme de l'énergie noire et la cosmologie pourrait en être révolutionnée.

Les supernovae SN Ia sont considérées comme des explosions stellaires dont la puissance est à peu près constante. Elles se comportent donc comme des chandelles standards comme il est dit, c'est-à-dire comme des sources dont la lumière intrinsèque varie peu. Il en est tout autrement de la luminosité apparente car celle-ci est d'autant plus faible que la supernova est lointaine. Les chercheurs peuvent ainsi en déduire sa distance et, si son décalage spectral vers le rouge est connu, il est possible de s'en servir pour mesurer la vitesse de l'expansion de l'univers observable. Comme ces supernovae sont vraiment très brillantes, les astronomes peuvent de cette manière sonder le cosmos sur des distances de plusieurs milliards d'années-lumière et ainsi déterminer à quelles vitesses l'espace est en expansion sur une durée s'étendant sur plusieurs milliards d'années.

Mais comme ces explosions sont rares à l'échelle d'une galaxie et au cours d'une vie humaine, il faut surveiller un grand échantillon de galaxies sur la voûte céleste pour surprendre en des temps raisonnables ces phénomènes. L'entreprise est difficile mais au fil des décennies, et avec les progrès de la technologie et la mise en service de télescopes toujours plus puissants, les astrophysiciens sont devenus de plus en plus performants à ce jeu. Il y a trente ans, ils n'en observaient que deux par mois, aujourd'hui ils en débusquent tous les jours. C'est ce qui leur a permis de découvrir à la fin des années 1990 la récente expansion accélérée de l'univers depuis quelques milliards d'années alors qu'elle ralentissait depuis le Big Bang.

Une présentation de l’effet de lentille gravitationnelle qui permet aux astrophysiciens de sonder l’univers profond et d’étudier la répartition de la matière noire. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l’écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Hubble, ESA

L’énergie noire, la clé du destin de l’univers

Cette expansion accélérée peut s'expliquer en invoquant l'existence d'une énergie noire, dont la nature est inconnue, et qui se manifeste dans les équations d'Einstein sous la forme d'une constante cosmologique. Certaines théories laissent entendre que cette constante ne l'est pas vraiment et varie dans le temps, mais si ces variations sont lentes, il faut pouvoir mesurer la vitesse d'expansion de l'univers, c'est-à-dire la fameuse constante de Hubble, avec plus de précision. Il faut pour cela encore augmenter le nombre de supernovae SN Ia détectées et aussi sur une plus grande période de temps. C'est ce que proposent de faire les chercheurs, notamment avec le Large Synoptic Survey Telescope (LSST), en français « Grand Télescope d'étude synoptique », en cours d'installation sur le Cerro Pachón, une montagne au nord du Chili. À terme, si l'énergie noire varie bien dans le temps, les caractéristiques de ses variations pourraient nous permettre de déterminer quelle théorie explique sa nature et peut-être aussi son comportement futur et, finalement, le destin de l'univers observable.

Toujours est-il que récemment, une équipe internationale d'astrophysiciens menée par des chercheurs suédois de l'université de Stockholm a annoncé avoir fait une découverte très intéressante en rapport avec ce sujet comme ils l'expliquent dans un article déposé sur arXiv.

Une galaxie à l’avant-plan a grossi 42 fois les images d’une supernova SN Ia par effet de lentille gravitationnelle. On voit plus de quatre images de la supernova iPTF16geu sur cette photo composite en haut à droite. Elles sont sur un cercle de 3.000 années-lumière de diamètre, ce qui correspond à l’une des plus petites lentilles gravitationnelles fortes connues à ce jour. © ESA, Hubble, Nasa, Sloan Digital Sky Survey, Palomar Observatory, California Institute of Technology

Une croix d’Einstein montre une supernova SN Ia

Grâce à l'Intermediate Palomar Transient Factory (iPTF), une campagne d'observation menée avec un télescope automatisé dont les données sont épluchées par une intelligence artificielle, ces astrophysiciens ont fait la découverte d'une rare supernova le 5 septembre 2016. Baptisée iPTF16geu, elle a été étudiée de plus près avec l'aide des télescopes HubbleKeck (Mauna Kea) et VLT (Chili). Anormalement brillante alors que son décalage spectral la situait à 4,3 milliards d'années-lumière de la Voie lactée, il a fallu se rendre l'évidence, il ne s'agissait rien de moins que d'une supernova amplifiée par un effet de lentille gravitationnelle forte causée par une galaxie à 2 milliards d'années-lumière.

Très peu d'exemples de ce genre sont connus et surtout, il s'agit de la première découverte d'une démultiplication par quatre de l'image d'une SN Ia par effet de lentille gravitationnelle forte. C'est donc un nouvel exemple de ce que l'on appelle une croix d’Einstein.

Les chercheurs estiment qu'un cas de ce genre pour 50.000 autre SN Ia standard peut être observé. L'intérêt est multiple. Tout d'abord, comme les images correspondent à différents chemins et différents temps de trajet pour la lumière issue de iPTF16geu, il est possible d'en déduire une meilleure estimation de la constante de Hubble et même la déterminer avec une erreur de 4 % tout au plus, voire même moins. Surtout, le résultat devrait être robuste car il ne devrait pas dépendre du modèle cosmologique relativiste considéré pour interpréter les mesures.

Le LSST devrait découvrir environ 500 supernovae de ce genre au cours d'une décennie de fonctionnement ce qui, bien sûr, va aider les chercheurs à atteindre plus facilement leur but avec ce géant : connaître le destin du cosmos.

  • Une lentille gravitationnelle peut démultiplier par quatre un de ces objets, comme un quasar, donnant ce que l'on appelle une croix d'Einstein.
  • Une croix d'Einstein formée avec une supernova permet de mieux mesurer la constante de Hubble et la variation de la vitesse de l'expansion de l'univers avec le temps. On peut alors espérer mieux connaître la nature de l'énergie noire.
  • La première croix d'Einstein avec une supernova SN Ia vient d'être observée. L'étude de ce type d'objet pourrait indiquer que l'énergie noire évolue dans le temps, ce qui bouleverserait le modèle cosmologique standard.
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