Comment une galaxie peut-elle servir de télescope  ?

Alors que les télescopes deviennent chaque jour plus perfectionnés, ils nous révèlent des objets toujours plus lointains et toujours plus détaillés. Mais parfois, même toute cette science ne suffit pas, alors il faut demander un coup de main à la nature.

C’est ce qu’a fait une équipe de chercheurs américains, en se servant d’une galaxie comme d’une loupe pour aller regarder un objet qui se situait derrière. Rongmon Bordoloi de l’Université de Caroline du Nord, l’auteur principal de l’étude publiée dans Nature le 18 mai 2022, résume pour Numerama : « Nous avons utilisé le phénomène naturel de la lentille gravitationnelle et les dernières avancées technologiques pour observer des systèmes Lyman-Alpha amortis. »

Avant d’aller plus loin, quelques explications s’imposent devant cette avalanche de termes compliqués. Pour commencer, quelles sont ces avancées technologiques ? Il s’agit de l’observatoire W.M. Keck à Hawaï, un des plus grands télescopes optiques du monde. Il dispose d’un spectrographe bien pratique dit à intégrale de champ, qui permet d’étudier la composition chimique d’objets très étendus.

C’est le cas de ce qui est observé ici : des systèmes Lyman-Alpha amortis. Derrière ce nom barbare se cachent des nuages de gaz très diffus qui sont apparus il y a environ 11 milliards d’années, lorsque l’Univers était alors très jeune. L’Univers en était rempli dans sa prime jeunesse, avant que ces nuages ne finissent par former des astres. Dans ces zones, la matière se rassemble pour donner naissance à des galaxies, ce qui leur vaut parfois le surnom de pouponnières de galaxies.

On avance, mais il reste une définition, celle de la lentille gravitationnelle. Ce phénomène se produit lorsque l’observateur se retrouve devant un objet si massif qu’il fait dévier les rayons lumineux.

C’est, par exemple, un amas de galaxies qui oblige la lumière à dévier tellement l’attraction gravitationnelle qu’il provoque est importante. Déjà dans les années 1930, les scientifiques se fondaient sur la théorie de la relativité générale d’Einstein pour prédire l’existence de ce phénomène, mais il a fallu attendre 1979 pour en voir pour la première fois. Dans ces conditions, si un objet situé derrière cet amas émet de la lumière, les photons vont contourner l’amas et il sera possible de l’observer avec un effet d’optique qui le fait apparaître un peu plus grand, comme si vous regardiez à travers une loupe.

« C’est comme un télescope naturel »

Et c’est ce qu’a fait Rongmon Bordoloi avec son équipe. Profitant de la présence d’une lentille gravitationnelle, ils ont pu observer en plus détaillé le système qui se trouvait derrière. « C’est comme un télescope naturel, raconte le chercheur. D’autres scientifiques s’en servent ainsi depuis des années, mais nous sommes les premiers à pouvoir observer la totalité d’un système Lyman-Alpha de cette manière. »

Plus spécifiquement, ce sont deux systèmes qui ont été observés. Deux nuages de gaz qui se sont formés il y a 11 milliards d’années environ et qui mesurent pas moins de 238 kiloparsecs carrés. Soit une surface de… 775 000 années-lumière environ. Ce qui est extrêmement grand, d’où la prouesse d’avoir réussi à les distinguer dans leur ensemble.

« C’est la première fois que nous arrivons à déterminer la taille de systèmes comme ceux-là, précise Rongmon Bordoloi. Mais aussi les galaxies qui y sont associées, ce qui est particulièrement difficile. »

Il faut souligner ici que ces objets sont très diffus, très lointains, et aussi peu lumineux, car ils n’ont pas encore formé d’étoiles, ce qui rend leur observation particulièrement compliquée. C’est pourquoi l’utilisation d’une lentille gravitationnelle est aussi déterminante pour espérer voir quelque chose.

Mais la technique a aussi ses inconvénients. Comme à travers une loupe, les objets observés peuvent apparaître déformés. C’était le cas ici : l’image qui leur est arrivée était étirée, et il fallait comprendre quelles étaient les proportions exactes de l’objet. « Il faut être très prudent pour ne pas se tromper, assure Rongmon Bordoloi. Nous avons dû analyser la distribution de la masse de l’amas de galaxies dont nous nous servions comme lentille. Une fois ceci fait, nous avons des modèles qui recréent l’image originelle. »

Cap sur les mystères de l’Univers primordial

Ces observations furent riches d’enseignement pour l’étude des systèmes Lyman-Alpha. Les chercheurs ont pu découvrir des milliards de fois la masse du Soleil sous forme de gaz neutre. Du gaz qui devrait ensuite servir de carburant pour former de futures étoiles. Ils ont aussi révélé la présence d’importants changements de masse selon la région de chaque nuage. Autrement dit, il existe des structures internes à l’intérieur, même si les mécanismes qui y sont liés n’ont pas pu être identifiés.

Cela dit, Rongmon Bordoloi ne compte pas s’arrêter là et recherche sa prochaine cible. « Nous connaissons quelques dizaines de lentilles gravitationnelles. C’est un phénomène assez rare, mais nous espérons pouvoir nous en servir pour observer d’autres objets lointains. Cette étude n’est que la première d’une longue série dont nous verrons la suite dans les mois ou les années qui viennent. » Les cibles prioritaires seront les plus lointaines, c’est-à-dire celles qui ont vu le jour peu après le Big Bang, ce qui révèlera certainement les secrets des débuts de l’Univers.