Qu’est-ce que le phénomène de lentille gravitationnelle bien visible sur la première image couleur du télescope James Webb ?
Dans cette portion centrale de l’image publiée hier par la NASA, on voit très bien des arcs de cercle de différentes tailles, qui donnent presque l’impression d’un mouvement circulaire :
Les amas de galaxies comme SMACS 0723 objet de l’image peuvent agir comme une lentille cosmique naturelle, grossissant par gravité la lumière provenant d’objets plus éloignés. C’est ainsi que les scientifiques de la NASA qui ont conçu le télescope spatial James Webb ont prédit dès l’origine que vu sa puissance, il pourrait être en mesure de détecter la lumière des premières étoiles de l’univers si elles sont l’objet d’une lentille gravitationnelle formée par de tels amas galactiques.
Lorsque cela se produit, la lumière des galaxies lointaines arrivant sur l’amas de galaxies objet de la prise d’image par le télescope est littéralement déviée, courbée et grossie par l’amas de galaxies. Après, la puissance d’une lentille gravitationnelle varie selon les caractéristiques des amas et la position de l’étoile lointaine et de la lentille. Dans les cas classiques, le grossissement obtenu est de 10 à 20 fois. Une plage de facteur de multiplication insuffisant pour que James Webb puisse rendre visible des étoiles de « première génération » générées immédiatement suite au Big bang.
L’alignement de l’étoile lointaine que l’on cherche à observer via l’amas de galaxies observé par le télescope est un facteur essentiel : dans le cas d’un alignement parfait, on peut potentiellement espérer un grossissement de facteur 10 000 ! Il y a malheureusement peu de chances que cela se produise, mais ce n’est pas exclu non plus.
Courbure de l’espace-temps et géodésiques
Ainsi, un astre massif courbe l’espace-temps, selon les lois de la relativité générale. La lumière, suivant toujours le chemin le plus court, suit les géodésiques dans l’espace-temps qui ne sont plus des lignes droites, et est donc déviée par le champ gravitationnel.
Le principe est donc bien différent de celui des lentilles physiques, puisque la déflexion des rayons lumineux est maximale au plus près du centre de la lentille gravitationnelle, d’où la recherche d’alignement.
Les diagrammes suivants illustrent comment les rayons lumineux d’une galaxie ou d’une étoile lointaine (à gauche), peuvent être courbés par la gravité d’un amas de galaxies intermédiaire par rapport à l’observateur, ici sur la Terre ou environs, à droite. En conséquence, l’observateur voit l’objet lointain apparaître plus lumineux qu’il ne le serait s’il n’était pas soumis à une lentille gravitationnelle.
C’est pourquoi les scientifiques espèrent que James Webb pourra parvenir à observer une étoile lointaine grossie appartenant aux étoiles de population III, c’est-à-dire des étoiles formées à partir du mélange primordial d’hydrogène et d’hélium provenant de l’univers primitif. Un autre problème est que les premières étoiles, si elles ont été massives, étaient également éphémères (quelques millions d’années avant explosion pour former des supernovas) or l’alignement recherché a plus de chances d’avoir lieu si la brillance de l’étoile à observer perdure;
Ils espèrent de la même façon pouvoir observer un disque d’accrétion des premiers trous noirs, ces structures qui naissent de la mort d’une étoile massive, dont nous avons eu récemment les images pour deux trous noirs celui de notre Voie lactée et ce lui d’une galaxie proche. Les trous noirs sont moins éphémères ce qui donne des espoirs d’observation par lentille gravitationnelle.
10 avril 2019
Un long travail d’observation patiente se prépare donc, pour les astronomes pendant toute la durée de vie de James Webb, en ciblant une sélection d’amas de galaxies susceptibles de donner un jour un alignement permettant le grossissement suffisant d’étoiles ou de trous noirs très lointains pour nous rapprocher de cette quête des alentours du Big bang.
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