Un anneau d’Einstein est un type extrêmement rare d’objet gravitationnellement lenticulé, prédit pour la première fois par la théorie de la relativité d’Albert Einstein. L’effet de lentille gravitationnelle se produit lorsque l’immense gravité d’un objet massif au premier plan, tel qu’un amas de galaxies ou un trou noir, courbe l’espace-temps autour de lui; la lumière émise par des objets plus lointains, tels que des galaxies ou des supernovae, traversant cet espace-temps incurvé apparaît également courbée depuis notre point de vue terrestre.
Cet effet amplifie également la lumière provenant de l’objet focalisé, comme une loupe, permettant aux astronomes d’étudier les objets lointains avec une précision accrue. La plupart des objets focalisés par la lentille gravitationnelle forment des arcs ou des anneaux partiels autour de l’objet au premier plan. Cependant, un véritable anneau d’Einstein forme un cercle complet autour d’un objet plus proche, ce qui n’est possible que lorsque l’objet lointain, l’objet au premier plan et l’observateur sont parfaitement alignés.
Dans une étude publiée dans la revue Nature Astronomy, les chercheurs ont découvert un nouvel anneau d’Einstein étrangement circulaire, appelé JWST-ER1, dans le cadre de l’enquête COSMOS-Web, une carte détaillée de plus de 500 000 galaxies obtenue au cours de 200 heures d’observations continues par JWST.
L’anneau d’Einstein complet, JWST-ER1, est l’objet à lentille gravitationnelle le plus éloigné jamais découvert. NASA/Télescope spatial James Webb/van Dokkum et al.
JWST-ER1 est composé de deux parties : JWST-ER1g, une galaxie compacte qui agit comme un objet de lentille au premier plan; et JWST-ER1r, la lumière provenant d’une galaxie plus lointaine qui forme un anneau lumineux. JWST-ER1g se trouve à environ 17 milliards d’années-lumière de la Terre, tandis que JWST-ER1r est à 4 milliards d’années-lumière de plus. Jusqu’à présent, l’objet de lentille le plus éloigné détecté se trouvait à environ 14,7 milliards d’années-lumière, selon BigThink.com. (Alors que l’âge de l’univers lui-même est estimé à environ 13,7 milliards d’années, son expansion constante signifie que la lumière des objets les plus anciens doit parcourir des distances bien plus grandes pour atteindre nos télescopes.)
En utilisant l’anneau complet de JWST-ER1, les chercheurs ont calculé la masse de la galaxie lentille en déterminant l’ampleur de la déformation de l’espace-temps qui l’entoure. Cela a montré que la galaxie possède une masse équivalente à environ 650 milliards de soleils, ce qui la rend inhabituellement dense pour sa taille. Une partie de cette masse supplémentaire pourrait s’expliquer par la matière noire, cette matière mystérieuse et invisible qui constitue environ 85 % de toute la matière de l’univers. Malgré cela, les chercheurs ont calculé qu’il est peu probable qu’il y ait suffisamment d’étoiles pour expliquer le reste de la masse de la galaxie.
«Une masse supplémentaire est nécessaire pour expliquer les résultats de la lentille», mais on ne sait pas encore clairement quelle est cette masse, écrivent les chercheurs dans leur article.
Un ensemble d’anneaux d’Einstein incomplets et presque parfaits, photographiés par le télescope spatial Hubble de la NASA. Pour obtenir un cercle parfait, l’objet d’arrière-plan, l’objet de premier plan et l’observateur doivent être parfaitement alignés. NASA
D’autres galaxies tout aussi anciennes et denses ont déjà été découvertes, ce qui suggère que ces anciennes usines à étoiles ont un point commun qui les rend si massives. Une explication possible est que ces galaxies contiennent beaucoup plus de matière noire qu’on ne le pensait auparavant, tandis qu’une autre théorie suggère qu’elles pourraient abriter davantage d’étoiles de faible masse que les galaxies plus jeunes. Des recherches supplémentaires sont toutefois nécessaires pour le savoir.
Ce n’est pas le premier véritable anneau d’Einstein découvert par le JWST. En septembre 2022, un utilisateur de Reddit a découvert un anneau de lumière parfaitement circulaire provenant de la galaxie JO418, située à environ 12 milliards d’années-lumière de la Terre, projeté autour d’une galaxie plus proche. Le JWST a également utilisé la lentille gravitationnelle pour capturer l’étoile la plus lointaine jamais découverte et l’une des plus anciennes galaxies de l’univers.
Ce halo époustouflant résulte de la lumière d’une galaxie lointaine traversant l’espace-temps déformé entourant une autre galaxie, alignée entre la source lumineuse lointaine et la Terre. Cette image du télescope spatial James Webb de 2022, créée par un astronome passionné sur Reddit, est l’un des meilleurs exemples jamais capturés de ce phénomène astronomique inhabituel.
L’anneau lumineux de la nouvelle image provient de la galaxie lointaine SPT-S J041839-4751.8 (ou JO418), située à environ 12 milliards d’années-lumière de la Terre, ce qui en fait l’une des plus anciennes galaxies de l’univers. JO418 est orientée directement derrière une autre galaxie – la brillante lumière bleue au centre de l’anneau – si massive que son attraction gravitationnelle courbe l’espace-temps autour d’elle. Lorsque la lumière de JO418 atteint la galaxie au premier plan, elle traverse cet espace-temps courbe. Depuis la Terre, la lumière semble avoir contourné la galaxie, mais les ondes électromagnétiques que nous observons ont en réalité voyagé en ligne droite tout au long de ce trajet.
Gros plan de l’anneau d’Einstein JO418. Spaceguy44
Cet effet étrange est similaire à la façon dont les lentilles de verre redirigent la lumière. À l’instar des loupes, ce phénomène fait apparaître la lumière des galaxies lointaines beaucoup plus proche qu’elle ne l’est en réalité. La seule différence est que la lentille est constituée d’un espace-temps déformé par la gravité plutôt que de verre. C’est pourquoi les chercheurs appellent cet effet étrange «lentille gravitationnelle». Albert Einstein a prédit la lentille gravitationnelle pour la première fois en 1912, lorsqu’il a élaboré sa théorie de la relativité.
Le 23 août, Spaceguy44, utilisateur de Reddit et étudiant diplômé en astronomie, a publié une image de l’anneau d’Einstein JOS18 sur le subreddit r/Astronomy. L’astronome anonyme a créé cette image à partir de données publiques provenant de l’instrument MIRI (Mid-Infrared Imager) du télescope spatial James Webb.
«Nous ne pourrions pas voir J0418 sans la courbure de la gravité», a écrit Spaceguy44 sur Reddit. «Sans l’effet de lentille, la galaxie ressemblerait probablement à la plupart des galaxies lointaines : une petite goutte de lumière.»
Un anneau d’Einstein presque parfait de la galaxie JO418. Spaceguy44
En 2020, des chercheurs ont découvert une galaxie lointaine en détectant une lentille gravitationnelle partielle à l’aide de l’Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) au Chili; ils ont rapporté leur découverte dans un article publié cette année-là dans la revue Nature.
Le 13 août, Spaceguy44 a publié une image de JO418 utilisant des données collectées par l’instrument NIRCam de Webb, mais l’image originale avait une résolution beaucoup plus faible et l’anneau de lumière était moins visible, selon ScienceAlert.
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Le télescope spatial Hubble de la NASA a capturé des images de plusieurs autres anneaux d’Einstein, dont un formé par la lumière courbée d’un quasar. Cependant, aucun de ces anneaux n’était aussi complet ni aussi net que celui de l’image Reddit.
Les anneaux d’Einstein parfaitement ronds sont extrêmement rares, car ils nécessitent que les galaxies, lointaines et proches, soient parfaitement alignées avec l’observateur. Cependant, de meilleurs capteurs sur le télescope Webb devraient faciliter leur détection à l’avenir.
Une nouvelle analyse d’une galaxie inhabituellement massive mais compacte de l’Univers primitif montre que la matière noire interagit avec elle-même.
Formé seulement 3,4 milliards d’années après le Big Bang, JWST-ER1 a été découvert pour la première fois en octobre 2023 grâce à des images prises par le télescope spatial James Webb (JWST) de la NASA. Situé à plus de 17 milliards d’années-lumière de la Terre, JWST-ER1g est l’exemple le plus éloigné d’un «anneau d’Einstein» parfait: un cercle de lumière continu autour d’une galaxie, créé par la courbure de la lumière provenant d’une galaxie lointaine et invisible, due à la masse déformante de JWST-ER1. Les recherches ont été publiées en ligne le 11 avril 2024 dans The Astrophysical Journal Letters.
Le mirage cosmique n’est pas seulement un joli spectacle créé par l’alignement heureux des galaxies; il fournit également aux physiciens une sonde précieuse pour des mesures indépendantes du modèle de la masse contenue dans le rayon de l’anneau.
En calculant la quantité de déformation de l’espace-temps par JWST-ER1g, l’équipe a conclu que la galaxie pèse environ 650 milliards de soleils, ce qui la rend inhabituellement dense pour sa taille. En soustrayant la masse stellaire visible de la masse totale estimée, les physiciens peuvent déterminer la proportion de matière noire dans la galaxie, cette substance invisible qui représenterait plus de 80 % de toute la matière de l’univers.
La galaxie inhabituellement dense JWST-ER1 et son anneau d’Einstein, tels qu’imagés par le télescope spatial James Webb en 2023. P. van Dokkum et al.
Malgré des décennies d’observations et une multitude de preuves indirectes, cette substance insaisissable n’a pas encore été détectée directement. Dans JWST-ER1g, l’équipe a découvert que la matière noire explique environ la moitié de la différence de masse, et qu’«une masse supplémentaire est probablement nécessaire pour expliquer l’effet de lentille», selon une étude publiée en 2023.
«La valeur de la masse de matière noire semble plus élevée que prévu», a déclaré Hai-Bo Yu, professeur de physique et d’astronomie à l’Université de Californie à Riverside (UCR) et co-auteur de la nouvelle étude. «C’est déroutant.»
Dans leur article, Yu et ses collègues suggèrent que la densité inhabituellement élevée de JWST-ER1g pourrait s’expliquer par une population d’étoiles plus importante qu’on ne le pense actuellement. Cependant, comme l’a souligné Demao Kong, auteur principal de l’étude et de l’Université de Californie à Riverside, dans le même communiqué, le mécanisme de compression par lequel la matière ordinaire – la matière qui compose le gaz et les étoiles – «s’effondre et se condense» dans le halo de matière noire de JWST-ER1g pourrait entraîner «un empilement accru de matière noire dans le même volume, d’où une densité plus élevée».
Le halo de matière noire, plus dense au centre de la galaxie, agit comme une colle gravitationnelle qui empêche les galaxies en rotation de se séparer. De plus, les modèles incluant un certain type de matière noire, dont les particules interagissent entre elles, «correspondent parfaitement aux mesures de JWST-ER1», selon la nouvelle étude.
Assemblage des miroirs du télescope spatial James Webb. NASA/MSFC/David Higginbotham/Emmett
Nous ne savons pas encore ce qu’est réellement la matière noire. Des observations suggèrent qu’il s’agit d’un nouveau type de particule, dont l’existence ne peut être déduite que de ses interactions gravitationnelles avec la matière ordinaire. La matière noire pourrait n’être qu’un seul type de particule, ou un ensemble complexe de différents types, comme dans la matière ordinaire, qui pourraient agir en présence de forces supplémentaires, jusqu’alors inconnues, propres à la matière noire.
En décembre 2023, Yu a dirigé une simulation de la formation de structures impliquant de la matière noire auto-interagissante, concluant que de telles auto-interactions pourraient expliquer les halos de matière noire extrêmement denses dans certaines galaxies, ainsi que les densités mystérieusement faibles dans d’autres, qui ne sont pas expliquées par la théorie dominante de la «matière noire froide».
Les physiciens espèrent que le JWST permettra d’apporter davantage de lumière sur la matière noire, pour ainsi dire. Les capacités infrarouges sans précédent du télescope lui permettent de scruter le passé plus loin que tout autre télescope, et les prochaines études des galaxies de l’univers primitif pourraient fournir des indices sur les particules de matière noire et leur comportement, a déclaré Yu.
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