Cienciaes.com : Des étoiles fortement amplifiées par des lentilles gravitationnelles. Nous avons parlé avec José María Palencia Sainz

La lumière émise par une étoile perd de son intensité au fur et à mesure de son expansion dans l’Univers. Si nous regardons le ciel nocturne à l’œil nu, dans un endroit exempt de pollution lumineuse, la plupart des étoiles que nous pouvons voir se trouvent dans une sphère d’un rayon de 1 500 années-lumière autour de nous. Avec un télescope, nous pouvons distinguer des étoiles individuelles plus éloignées, mais si nous voulions voir celles qui sont bien au-delà et entrevoir certaines des galaxies les plus éloignées, nous aurions besoin de lentilles si extraordinairement grandes et puissantes qu’elles sont impossibles à construire. Cependant, là où la technologie humaine n’atteint pas, la nature nous offre une opportunité, grâce à une propriété de l’espace-temps révélée par Einstein dans sa théorie générale de la relativité.

Le savant allemand a proposé que les rayons lumineux courbent leur trajectoire lorsqu’ils passent près d’un objet massif. L’hypothèse a été démontrée par le physicien anglais Eddington lors de la capture d’images d’étoiles proches du disque solaire lors de l’éclipse solaire du 29 mai 1919. Cet effet ne peut être observé que lors d’une éclipse, car, sinon, la luminosité du Soleil empêche la vision des étoiles. Les photographies prises par Eddington ont montré que, comme le proposait Einstein, les étoiles semblaient déplacées de leur position. L’observation a non seulement corroboré la validité de la théorie générale de la relativité, mais a également ouvert la voie à la possibilité que de grandes concentrations de masse se comportent comme des lentilles gravitationnelles capables d’amplifier la lumière d’objets beaucoup plus éloignés et de nous les rendre visibles.

Grâce aux lentilles gravitationnelles, les scientifiques ont pu découvrir de nombreuses images d’objets très éloignés de nous. L’étoile la plus lointaine jamais découverte à ce jour est Earendel et elle a été divulguée en mars 2022 dans la revue scientifique Nature. L’image de l’étoile a été détectée sur une photographie prise avec le télescope spatial Hubble focalisé sur un énorme amas de galaxies appelé WHL0137-08. Grâce au pouvoir amplificateur de cette énorme lentille naturelle, des objets beaucoup plus éloignés apparaissent dans l’image, qui appartenaient à l’Univers alors qu’il n’avait que 7% de son âge actuel. L’analyse du décalage vers le rouge de la lumière de l’étoile révèle qu’Earendel est situé à 12,9 milliards d’années.

L’exemple d’Earendel illustre l’importance de la lentille gravitationnelle dans l’observation de l’Univers et notre invité dans Talking to Scientists, José María Palencia Sainz, doctorant à l’Université Institut de physique de Cantabrie. José María travaille sur l’élaboration d’équations qui permettent l’étude des phénomènes qui fournissent une amplification extrême dans certaines étoiles.

José María explique que les lentilles gravitationnelles, lorsqu’elles sont formées par d’énormes concentrations de masse telles que des amas de galaxies, peuvent fournir des images déformées ou multiples des objets situés derrière. L’étude de ces objets est très complexe car les galaxies qui composent l’amas ne créent pas de lentille uniforme, car leur masse est inégalement concentrée et elles contiennent des étoiles qui, à leur tour, produisent leur propre effet de microlentille gravitationnelle. Lorsque les effets de ces composants s’additionnent, ils peuvent parfois créer un grossissement énorme, mille fois supérieur à celui qui correspondrait à l’étoile lointaine vue sans lentille gravitationnelle. Ces effets de grossissement élevés permettent d’observer de petits objets, comme c’est le cas avec Earendel.

Les observations à fort grossissement sont complexes car à la contribution de la matière inégalement répartie d’un amas de galaxies et à la contribution des microlentilles gravitationnelles apportées par les étoiles qu’elles contiennent, s’ajoute le mouvement des étoiles elles-mêmes, ce qui rend les observations très amplifiées sont difficiles à étude. Les étoiles qui subissent un fort grossissement peuvent apparaître et disparaître lorsque les mouvements des lentilles et des étoiles elles-mêmes se conjuguent. L’observation en continu de certaines zones du ciel avec des télescopes comme le Hubble ou le James Webb permet d’étudier à la fois ce que sont les lentilles et les objets observés. Le travail de José María Palencia consiste à créer des simulations d’immenses régions du ciel où se produit le grossissement maximal et à obtenir les équations qui régissent ces phénomènes.

Les équations obtenues permettent d’étudier les événements observés et de les analyser à la recherche de paramètres difficiles à détecter comme la présence de matière noire.

Je vous invite à écouter José María Palencia, doctorant à l’Université Institut de physique de Cantabrie et conférencier à la XV Rencontre Scientifique de la Société Espagnole d’Astronomie