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Mesurer l’expansion cosmique avec une supernova à lentille

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Mesurer l’expansion cosmique avec une supernova à lentille

La physique 16, 85

Les astronomes ont démontré une nouvelle méthode pour déterminer la constante de Hubble qui consiste à mesurer le délai entre plusieurs images d’une supernova à lentille.

Cette image du télescope Hubble montre les emplacements des quatre premières images (S1 à S4) d’une supernova à lentille vue fin 2014. Un an plus tard, les astronomes ont détecté une cinquième image au point SX. Une nouvelle analyse a utilisé les 376 jours qu’il a fallu pour que SX apparaisse pour estimer le taux d’expansion cosmique.Cette image du télescope Hubble montre les emplacements des quatre premières images (S1 à S4) d’une supernova à lentille vue fin 2014. Un an plus tard, les astronomes ont détecté une cinquième image au point SX. Une nouvelle analyse a utilisé les 376 jours qu’il a fallu pour que SX apparaisse… Montre plus

Cette année marque le 100e anniversaire de l’observation par Edwin Hubble d’une étoile pulsante appelée variable céphéide dans la nébuleuse d’Andromède. L’étoile était étonnamment faible, ce qui impliquait qu’elle était très éloignée et qu’Andromède devait être une galaxie séparée – la première preuve que notre Voie lactée n’est pas seule. Hubble a ensuite découvert d’autres galaxies et a découvert qu’elles s’éloignaient toutes de nous – une expansion cosmique caractérisée par la soi-disant constante de Hubble. Les astronomes ont maintenant utilisé une autre étoile, une supernova explosive dont la lumière était courbée lors de son voyage vers la Terre, pour sonder l’expansion [1]. En déterminant un délai entre différentes images de la supernova, l’équipe a récupéré une valeur de la constante de Hubble inférieure aux estimations basées sur les Céphéides et sur d’autres marqueurs de distance. Cependant, les barres d’erreur sont grandes pour la nouvelle mesure, de sorte que les astronomes auront besoin de plus d’observations pour faire des supernovae à lentilles un contrôle de vitesse de précision sur l’expansion cosmique.

Une supernova à lentilles est créée par le pouvoir de la gravité de flexion de la lumière. Lorsqu’une supernova se trouve derrière une galaxie, par rapport à la Terre, la lumière de l’étoile qui explose est incurvée autour de la galaxie par la gravité de la galaxie. Cette action à la fois déforme l’image de l’étoile et la grossit, tout comme une loupe. Parfois, cette lentille peut produire plusieurs images de l’étoile, chacune apparaissant à un point différent du ciel. La lumière d’un tel ensemble d’images voyage vers la Terre par des chemins différents, et arrive ainsi sur Terre à des moments différents. En 1964, l’astronome Sjur Refsdal a proposé d’utiliser les retards temporels pour mesurer la constante de Hubble. Mais la détection d’une supernova multi-image s’est avérée délicate.

La chance est finalement venue 50 ans après la proposition de Refsdal. Dans une image du télescope spatial Hubble de décembre 2014, Patrick Kelly, alors à l’Université de Californie à Berkeley, et maintenant à l’Université du Minnesota, a repéré quatre images lentilles de la même supernova [2]. L’équipe n’a pas été en mesure de déterminer les délais exacts entre ces images, mais à partir d’observations précédentes de cette partie du ciel, Kelly et ses collègues ont prédit qu’une cinquième image était en route. Cette attente était basée sur la supernova tachetée située derrière un amas de galaxies, plutôt que sur une seule galaxie, de sorte que la lumière de la supernova avait plusieurs chemins pour atteindre la Terre. Les astronomes ont gardé une veille constante, et bien sûr la cinquième image est apparue en décembre 2015, environ 376 jours après les quatre autres images. Ce long délai, causé par la grande densité de masse de l’amas, a été une aubaine pour la mesure de l’expansion cosmique. “Il est avantageux d’avoir un délai d’un an, car la valeur de la constante de Hubble est inversement proportionnelle au délai”, explique Kelly.

Mais le délai à lui seul est insuffisant pour déterminer la constante de Hubble. Les astronomes doivent également tracer les chemins exacts que la lumière de la supernova emprunte pour se rendre sur Terre. Pour ce traçage, ils utilisent des modèles de distribution de masse au sein de l’amas de galaxies. Mais une grande partie de cette masse réside dans la matière noire non observable, de sorte que les sorties des modèles ne concordent pas toutes. Pour contourner ce problème, Kelly et ses collègues ont évalué les prédictions des modèles de la luminosité relative des images de supernova successives et de l’emplacement de l’image la plus récemment arrivée. Sur la base de cette évaluation, ils ont proposé un modèle le mieux adapté de la distribution de masse, qu’ils ont utilisé pour obtenir une constante de Hubble de 65 km/s/Mpc, où Mpc signifie mégaparsec. La barre d’erreur est d’environ 4 km/s/Mpc, soit 6 %.

Les cosmologistes aimeraient de nouvelles façons de mesurer la constante de Hubble, car les résultats des deux méthodes les plus établies ne sont pas d’accord. La première méthode, qui suit les traces des travaux de Hubble il y a un siècle, utilise des céphéides et d’autres objets bien caractérisés, tels que des masers et des supernovae de type 1a, pour mesurer les distances cosmiques. “Hubble serait étonné de voir que nous utilisons encore des céphéides”, déclare le lauréat du prix Nobel de physique Adam Riess de l’Université Johns Hopkins dans le Maryland. Riess et ses collègues ont utilisé ces mesures de distance cosmique pour déterminer une constante de Hubble de 73 km/s/Mpc avec une précision de 1 %. Cette mesure est en désaccord avec une autre méthode basée sur le fond diffus cosmologique, qui a trouvé 67 km/s/Mpc. Cet écart de 9 % est connu sous le nom de tension de Hubble et reste un casse-tête majeur (voir Article : Les cosmologistes ne peuvent pas s’entendre sur la constante de Hubble).

Le résultat de la supernova lentille de Kelly et de ses collègues se situe au bas de la plage de tension de Hubble. Mais les barres d’erreur sont suffisamment grandes pour que la valeur concorde avec les deux autres. « Je ne pense pas [the lensed supernova measurement] dit quelque chose de significatif sur la constante de Hubble à ce stade », dit Riess.

Une façon de réduire les barres d’erreur sur la nouvelle estimation de Hubble serait d’améliorer les modèles de distribution de masse dans l’amas qui a cristallisé la lumière de supernova observée. Kelly dit que les futures mesures du JWST (le successeur du télescope Hubble) pourraient aider à cartographier la masse de l’amas. Il y a aussi l’anticipation d’observations de supernovae plus lentilles. Tout récemment, des astronomes ont détecté une supernova à lentille différente avec JWST. “Je suis assez optimiste sur cette supernova qui produit quelque chose d’intéressant”, dit Kelly. Les futures enquêtes, telles que celles prévues pour l’observatoire Rubin au Chili dans les prochaines années, devraient également découvrir des centaines d’autres supernovae à lentilles, déclare Sherry Suyu de l’Institut Max Planck d’astrophysique en Allemagne. “Les supernovae à lentilles ont été très rares jusqu’à présent”, explique Suyu. “Nous entrons dans une ère passionnante avec les supernovae à lentilles !”

–Michael Schirber

Michael Schirber est rédacteur en chef correspondant pour Revue de physique basé à Lyon, France.

Les références

  1. PL Kelly et coll.“Contraintes sur la constante de Hubble de la réapparition de Supernova Refsdal,” Science (2023).
  2. PL Kelly et coll.“Plusieurs images d’une supernova fortement agrandie formée par une lentille de galaxie amas de type précoce,” Science 3471123 (2015).

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