La supernova qui va faire son retour dans le futur

Une supernova observée en 2016 sera de nouveau visible dans 16 ans ! Ce jeu de la lumière à travers l’espace-temps est fascinant, mais il y a derrière cette observation un potentiel scientifique énorme. En effet, revoir cette supernova aidera à trancher le hiatus du taux d’expansion de l’Univers.

Marty McFly n’est pas seul à savoir retourner vers le futur. La lumière des étoiles est elle aussi capable d’emprunter les couloirs de l’espace-temps, et c’est tout sauf de la fiction ! Ainsi cheminent les photons émis par la supernova AT2016jka. Située aux confins de l’Univers, sa lumière a voyagé sur un peu plus de 10 milliards d’années-lumière, avant d’être captée par hasard par le télescope spatial Hubble en 2016. Un groupe international d’astronomes mené par Steven A. Rodney (université de Caroline du Sud) s’est rendu compte de l’évènement en comparant les images de 2016 avec une autre observation de Hubble en 2019 sur laquelle la supernova n’est plus visible.

Rappelons qu’une supernova est le chant du cygne d’une étoile en fin de vie : à cours de carburant, elle implose, puis explose par effet de rebond. Elle libère ainsi une quantité d’énergie considérable en un temps très court. C’est ainsi qu’il est possible de voir l’astre briller presque autant que sa galaxie hôte et devenir bien visible malgré la distance immense qui nous sépare d’elle. Steven A. Rodney et ses collègues font la prévision étonnante que nous verrons l’explosion d’AT2016jka de nouveau environ 20 ans après cette première observation ! Ce résultat remarquable est en cours de soumission à une grande revue, mais il est déjà accessible sur la plateforme de prépublication arXiv. Il s’agit là d’un tour de passe-passe de la théorie de la relativité d’Einstein, digne de l’inventivité du génial Emmett Brown dans la trilogie de Robert Zemeckis.

La galaxie MRG-M0138 orangée sur cette photo de Hubble est vue à travers une lentille gravitationnelle. © Nasa/ESA/HST

Un jeu de lentille gravitationnelle

En fait, la supernova est située dans la galaxie MRG-M0138 située à l’arrière-plan de l’amas de galaxies massif MACS J0138.0-2155. Ce dernier déforme l’espace-temps autour de lui, ce qui a deux conséquences : le trajet de la lumière de la supernova est modifié, et les rayons sont concentrés, ce qui a pour effet d’amplifier leur intensité. Ce phénomène, appelé lentille gravitationnelle, a pour résultat de produire, vu de la Terre, 5 images brillantes de la galaxie MRG-M0138 et de sa supernova.
Voir à ce propos notre cahier photo dans le numéro 578 de Ciel et Espace paru le 15 juillet 2021. 

Là où l’observation de 2016 devient très intéressante, c’est que si elle montre bien cinq images de la galaxie lointaine, seules trois d’entre elles affichent la supernova !

La courbure de l’espace autour d’un amas de galaxies dévient les rayons lumineux d’un astre d'arrière-plan. © ESA

Cela signifie que les cinq images ne montrent pas la galaxie à même moment. En effet, les supernovae durent seulement quelques mois. Or, dans le cas de MRG-M0138, les chemins parcourus par la lumière autour de l’amas de premier plan pour former les 5 images ne sont pas identiques. Imaginez 5 randonneurs empruntant 5 chemins différents pour atteindre le même sommet, il y a peu de chance qu’ils arrivent tous en même temps selon la longueur du chemin et la difficulté de la pente. C’est exactement ce qui se passe pour la lumière émise par la supernova. Trois des chemins ont une durée voisine et permettent donc de voir trois images quasi simultanément, mais les deux autres sont plus longs.

Les chercheurs prédisent ainsi que la quatrième image de la supernova sera visible en 2037. Sa lumière est encore en chemin à quelque 16 années-lumière de nous. Une cinquième image arrivera encore plus tard, mais elle sera sans doute noyée dans la lumière de l’amas de galaxies d’avant-plan. Comme le randonneur, la lumière est soumise à la longueur du chemin emprunté, et l’équivalent de la difficulté de la pente pour elle est l’intensité du champ de gravité traversé. Les deux images de MRG-M0138 ne montrant pas la supernova en 2016 se trouvent proche du centre de la lentille gravitationnelle, là où le champ de gravité élevé retarde encore plus les photons. Les astronomes disposent d’outils assez sophistiqués pour modéliser à partir des observations la répartition de masse dans une lentille gravitationnelle. C’est ainsi qu’ils sont capables de prévoir l’arrivée de la quatrième image dans 16 ans, avec tout de même une incertitude de 2 ans autour de cette date.

SN1, SN2 et SN3 sont les trois images de la supernova observées en 2016. La 4e image appaîtra vers 2037 à la position SN4 et une autre image encore est attendue encore plus tard à la position SN5. 

Un film en une seule image 

Mieux : les trois images de la supernova observées en 2016 sont, elles aussi légèrement décalées temporellement. Pour filer la métaphore des randonneurs, trois d’entre eux sont proches les uns des autres et tiennent dans le cadre de la photo, mais aucun n’est tout à fait au sommet : l’un est sur le point de l’atteindre et deux viennent d’en repartir. Les trois images de la supernova se trouvent à des distances apparentes du centre de la lentille gravitationnelle assez comparables, les chemins qu’elles ont empruntés se ressemblent, ce qui explique qu’elles soient observables simultanément. Mais les petits décalages entre elles permettent de voir différentes phases du phénomène. Les astronomes s’en sont rendu compte en analysant la couleur et la luminosité des trois images de la supernova. Les variations d’éclat observées collent bien avec la courbe de luminosité d’une supernova de type Ia.

Évolution de luminosité d’une supernova de type Ia. Les observations de Hubble ont été reportées dessus en fonction des variation de luminosité entre les trois images de la supernova. L’image SN2 est avant le pic de luminosité ; SN1 et SN3 montrent la fin de l'explosion. 

Ces explosions surviennent dans un système binaire lorsqu’une naine blanche cannibalise la matière de sa voisine. Au-delà d’une masse critique, la naine blanche explose en supernova et l’autre étoile est éjectée du système. Là où le travail effectué est remarquable, c’est que dans l’équipe de recherche, l’analyse de la courbe de lumière de la supernova a été faite indépendamment de l’analyse des effets temporels de la lentille gravitationnelle. Lorsque les astronomes ont mis leur travail en commun, ils se sont rendus compte que les décalages attendus avec ces deux approches coïncidaient. Une des images de la supernova est vue 24 jours avant son pic de luminosité, l’autre 92 jours après et la dernière à plus 107 jours. L’effet de lentille gravitationnelle a donc ceci de d’étonnant qu’il permet de voir l’évolution temporelle de la supernova à partir d’une seule photo.

Un outil pour la cosmologie

Le phénomène observé n’est pas seulement une application concrète fascinante de la théorie de la relativité. Il est aussi d’un intérêt fondamental pour la cosmologie. Actuellement, cette discipline connaît une crise surnommée « H0 crisis ». H0, ou constante de Hubble, est le taux d’expansion de l’Univers. Ce paramètre fondamental de la cosmologie était l’une des motivations principales du projet de télescope spatial Hubble dans les années 1970 et 1980. La détermination de H0 diffère selon qu’elle est calculée à partir de l’analyse de la première lumière émise par l’Univers (ou fond diffus cosmologique), ou par l’observation d’indicateurs plus proches que sont les étoiles variables et les supernovas observées autour de la Voie lactée. On obtient respectivement 74 et 67,4 kilomètres par seconde et par mégaparsec.

Si le quatrième écho de la supernova de 2016 est bien observé en 2037 comme attendu, les astronomes tiendront une autre méthode pour évaluer ce fameux H0. Le délai entre les images permet de calculer le rapport de distances entre la lentille gravitationnelle et la galaxie hôte de la supernova. De là, il est possible de déduire H0.

Bien entendu, attendre 16 ans c’est long, et il faudra plus que cette simple observation pour obtenir une autre évaluation précise et digne de confiance de H0. En fait, l’idée est de trouver d’autres cibles de ce type. Pour le moment, AT2016jka est seulement la troisième détection d’une supernova à travers une lentille gravitationnelle. La première détection surnommée SN Refsdal en 2014 était une supernova de type II et les astronomes ont manqué l’observation de l’image retardée à travers la lentille gravitationnelle. Le surnom de cette supernova rend hommage à l’astronome Norvégien Sjur Refsdal qui le premier en 1964 a suggéré d’utiliser les supernovæ vues à travers des lentilles gravitationnelles pour mesurer la vitesse d’expansion de l’Univers.

L’observatoire Vera C. Rubin au sommet du Cerro Pachon au Chili. © Rubin Obs/NSF/AURA

La deuxième a été détectée en 2016 et elle est de type Ia, comme AT2016jka. Mais le retard entre les différentes images était faible, si bien qu’il n’était pas possible de s’en servir pour des mesures de précision. Les astronomes pourront chercher de nouveaux candidats avec des télescopes sur le point d’entrer en service comme celui de l’observatoire Vera C. Rubin (LSST) ou encore le télescope spatial européen Euclid. Hubble (momentanément en panne) a également des programmes de surveillances d’amas de galaxies permettant d’espérer jusqu’à une détection par an.

« Quitte à voyager à travers le temps au volant d’une voiture, autant en choisir une qui ait de la gueule ! » ironisait Emmett Brown dans le premier opus de Retour vers le futur. Les astronomes pourraient en dire autant. Leurs télescopes de plus en plus puissants et futuristes n’ont rien à envier à la mythique DeLorean DMC-12. Le LSST sera par exemple capable de scanner tout le ciel une fois par semaine jusqu’à la magnitude 24 avec son imposant miroir de 8,4 m et sa caméra de 16 milliards de pixels ! Il entrera en service en 2022, en même temps qu’Euclid.

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