Lorsqu'ils cherchent à étudier les objets les plus éloignés de l'Univers, les astronomes s'appuient souvent sur une technique connue sous le nom de lentille gravitationnelle. Basée sur les principes de la théorie de la relativité générale d'Einstein, cette technique implique de s'appuyer sur une large distribution de matière (comme un amas de galaxies ou une étoile) pour agrandir la lumière provenant d'un objet éloigné, la faisant ainsi apparaître plus lumineuse et plus grande.
Cette technique a permis l'étude d'étoiles individuelles dans des galaxies éloignées. Dans une étude récente, une équipe internationale d'astronomes a utilisé un amas de galaxies pour étudier l'étoile individuelle la plus éloignée jamais vue dans l'Univers. Bien qu'elle s'évanouisse normalement pour observer, la présence d'un amas de galaxies de premier plan a permis à l'équipe d'étudier l'étoile afin de tester une théorie sur la matière noire.
L'étude qui décrit leurs recherches a récemment paru dans la revue scientifique Astronomie de la nature sous le titre "Grossissement extrême d'une étoile individuelle au redshift 1.5 par une lentille en amas de galaxies". L'étude a été dirigée par Patrick L. Kelly, professeur adjoint à l'Université du Minnesota, et comprenait des membres de l'Observatoire de Las Cumbres, du National Optical Astronomical Observatory, du Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA), de l'Ecole Polytechnique Federale de Lausanne (EPFL), et plusieurs universités et institutions de recherche.
Pour leur étude, le professeur Kelly et ses associés ont utilisé le groupe de galaxies connu sous le nom de MACS J1149 + 2223 comme objectif. Situé à environ 5 milliards d'années-lumière de la Terre, cet amas de galaxies se situe entre le système solaire et la galaxie qui contient Icare. En combinant la résolution et la sensibilité de Hubble avec la force de cette lentille gravitationnelle, l'équipe a pu voir et étudier Icare, une géante bleue.
Icare, du nom de la figure mythologique grecque qui a volé trop près du Soleil, a eu une histoire assez intéressante. À une distance d'environ 9 milliards d'années-lumière de la Terre, l'étoile nous apparaît telle qu'elle était lorsque l'Univers n'avait que 4,4 milliards d'années. En avril 2016, l'étoile s'est temporairement éclaircie à 2000 fois sa luminosité normale grâce à l'amplification gravitationnelle d'une étoile dans MACS J1149 + 2223.
Comme le professeur Kelly l'a expliqué dans un récent communiqué de presse de l'UCLA, cela a temporairement permis à Icare de devenir visible pour la première fois aux astronomes:
"Vous pouvez voir des galaxies individuelles, mais 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."
Kelly et une équipe d'astronomes utilisaient Hubble et MACS J1149 + 2223 pour agrandir et surveiller une supernova dans la galaxie spirale éloignée au moment où ils ont repéré le nouveau point de lumière non loin de là. Compte tenu de la position de la nouvelle source, ils ont déterminé qu'elle devrait être beaucoup plus fortement agrandie que la supernova. De plus, les études précédentes sur cette galaxie n’avaient pas montré la source de lumière, indiquant qu’elle était en lentille.
Comme l'indique Tommaso Treu, professeur de physique et d'astronomie au Collège UCLA et co-auteur de l'étude:
«L'étoile est si compacte qu'elle agit comme un trou d'épingle et fournit un faisceau de lumière très vif. Le faisceau brille à travers l'amas de premier plan des galaxies, agissant comme une loupe cosmique… Trouver plus de tels événements est très important pour progresser dans notre compréhension de la composition fondamentale de l'univers.
Dans ce cas, la lumière de l'étoile a fourni une occasion unique de tester une théorie sur la masse invisible (alias «matière noire») qui imprègne l'Univers. Fondamentalement, l'équipe a utilisé la source de lumière ponctuelle fournie par l'étoile de fond pour sonder l'amas de galaxies intervenant et voir s'il contenait un grand nombre de trous noirs primordiaux, qui sont considérés comme un candidat potentiel pour la matière noire.
Ces trous noirs se seraient formés lors de la naissance de l'Univers et auraient des masses des dizaines de fois plus grandes que le Soleil. Cependant, les résultats de ce test ont montré que les fluctuations lumineuses de l'étoile de fond, qui avaient été surveillées par Hubble pendant treize ans, défavoriser cette théorie. Si la matière noire était en effet constituée de minuscules trous noirs, la lumière provenant d'Icare aurait été bien différente.
Depuis sa découverte en 2016 à l'aide de la méthode du cristallin gravitationnel, Icare a fourni une nouvelle façon aux astronomes d'observer et d'étudier des étoiles individuelles dans des galaxies éloignées. Ce faisant, les astronomes peuvent obtenir un regard rare et détaillé sur les étoiles individuelles de l'Univers primitif et voir comment elles (et pas seulement les galaxies et les amas) ont évolué au fil du temps.
Quand le Télescope spatial James Webb (JWST) est déployé en 2020, les astronomes s'attendent à avoir un look encore meilleur et à en apprendre beaucoup plus sur cette période mystérieuse de l'histoire cosmique.
