Cette image du télescope spatial Hubble montre la puissante gravité d’une galaxie intégrée dans un massif amas de galaxies produisant plusieurs images d’une seule supernova lointaine loin derrière elle. L’image montre l’emplacement de la galaxie au sein d’un grand amas de galaxies appelé MACS J1149.6+2223, situé à plus de 5 milliards d’années-lumière. Dans la vue agrandie de la galaxie, les flèches pointent vers les multiples images de l’étoile explosive, nommée Supernova Refsdal, située à 9,3 milliards d’années-lumière de la Terre.
Crédit : NASA, ESA, Steve A. Rodney (JHU), Tommaso Treu (UCLA), Patrick Kelly (UC Berkeley), Jennifer Lotz (STScI), Marc Postman (STScI), Zolt G. Levay (STScI), équipe FrontierSN, Equipe GLASS, Equipe HFF (STScI), Equipe CLASH
Les supernovae à lentilles offrent des mesures précises et indépendantes
Avec une vue panoramique 200 fois plus grande que la Le télescope spatial Hubblevue infrarouge, la quantité de données capturées par le prochain Nancy Grace Télescope spatial romain va changer le paysage de l’astronomie.
Les astronomes intéressés par l’étude de divers sujets, notamment le mystère de l’énergie noire et le taux d’accélération de l’univers, se préparent à exploiter au mieux ce torrent de données dès son arrivée sur Terre, peu après le lancement de Roman.
Une équipe en particulier se concentre sur la formation de Roman pour trouver des supernovae à lentille gravitationnelle, des objets qui peuvent être utilisés dans une méthode unique pour mesurer le taux d’expansion de l’univers. Ils disent que l’étude de Roman sur ces supernovae à lentilles insaisissables peut avoir un énorme potentiel pour l’avenir de la cosmologie.
Le télescope spatial romain Nancy Grace de la NASA, nommé en l’honneur du premier astronome en chef de la NASA, représente un pas en avant dans notre quête de compréhension du cosmos. Prévu pour un lancement d’ici mai 2027, cet observatoire de pointe est conçu pour explorer les mystères de l’énergie noire, examiner les exoplanètes et découvrir le taux d’expansion de l’univers avec une clarté sans précédent. En utilisant des technologies avancées pour observer l’univers sur des étendues larges et détaillées, le télescope spatial romain fournira des informations essentielles sur le cosmos, améliorant ainsi notre connaissance de la composition, de la structure et de l’évolution de l’univers. Crédit : Goddard Space Flight Center de la NASA
Le télescope spatial romain utilisera des événements rares pour calculer le taux d’expansion de l’univers
Les astronomes qui étudient l’un des mystères les plus pressants du cosmos – la vitesse à laquelle l’univers s’étend – se préparent à étudier ce puzzle d’une nouvelle manière en utilisant NASALe télescope spatial romain Nancy Grace de . Une fois lancé, d’ici mai 2027, les astronomes exploiteront les larges bandes d’images de Roman à la recherche de supernovae à lentille gravitationnelle, qui pourront être utilisées pour mesurer le taux d’expansion de l’univers.
Tension de Hubble et énergie noire
Il existe de nombreuses façons indépendantes pour les astronomes de mesurer le taux d’expansion actuel de l’univers, connu sous le nom de constante de Hubble. Différentes techniques ont donné différentes valeurs, appelées tension de Hubble. Une grande partie des recherches cosmologiques de Roman porteront sur l’énergie noire insaisissable, qui affecte la façon dont l’univers se développe au fil du temps.
L’un des principaux outils de ces recherches est une méthode assez traditionnelle, qui compare la luminosité intrinsèque d’objets comme les supernovae de type Ia à leur luminosité perçue pour déterminer les distances. Alternativement, les astronomes pourraient utiliser Roman pour examiner les supernovae à lentille gravitationnelle. Cette méthode d’exploration de la constante de Hubble est unique par rapport aux méthodes traditionnelles car elle est basée sur des méthodes géométriques et non sur la luminosité.
Cette illustration, utilisant les images du télescope spatial Hubble de la supernova Refsdal, montre comment la gravité de l’amas de galaxies massif MACS J1149.6+2223 plie et concentre la lumière d’une supernova située derrière lui, ce qui donne lieu à plusieurs images de l’étoile qui explose. Ce phénomène est appelé lentille gravitationnelle. Les supernovae à lentille gravitationnelle offrent aux astronomes un moyen unique de calculer la constante de Hubble, la vitesse à laquelle l’univers accélère. Une équipe de recherche prépare désormais les astronomes à trouver et à étudier ces objets rares à l’aide du prochain télescope spatial romain Nancy Grace de la NASA, dont le lancement est prévu d’ici mai 2027.
Le graphique du haut montre que lorsque l’étoile explose, sa lumière voyage à travers l’espace et rencontre l’amas de galaxies au premier plan. Si l’amas n’était pas présent, les astronomes détecteraient uniquement la lumière de la supernova dirigée directement vers la Terre et ne verraient qu’une seule image de la supernova. Cependant, dans le cas d’une supernova à images multiples, les trajectoires de la lumière sont courbées par la gravité de l’amas et redirigées vers de nouvelles trajectoires, dont plusieurs sont pointées vers la Terre. Les astronomes voient donc plusieurs images de l’étoile qui explose, chacune correspondant à l’un de ces trajets lumineux modifiés. Chaque image emprunte un itinéraire différent à travers l’amas et arrive à un moment différent, en partie à cause des différences dans la longueur des trajets suivis par la lumière pour atteindre la Terre. Mesurer avec précision cette différence de temps d’arrivée entre les multiples images conduit à une combinaison de distances qui contraignent la constante de Hubble.
Dans le graphique du bas, la lumière redirigée traverse une galaxie elliptique géante au sein de l’amas. Cette galaxie ajoute une autre couche de lentilles, redirigeant une fois de plus plusieurs chemins de lumière qui autrement nous auraient manqués, et les focalisant pour qu’ils atteignent la Terre.
Crédits : NASA, ESA, Ann Feild (STScI), Joseph DePasquale (STScI), NASA, ESA, Steve A. Rodney (JHU), Tommaso Treu (UCLA), Patrick Kelly (UC Berkeley), Jennifer Lotz (STScI), Marc Postman (STScI), Zolt G. Levay (STScI), Team FrontierSN, Team GLASS, Team HFF (STScI), Team CLASH
La promesse de la lentille gravitationnelle
« Roman est l’outil idéal pour permettre l’étude des supernovae à lentille gravitationnelle », a déclaré Lou Strolger du Space Telescope Science Institute (STScI) à Baltimore, co-responsable de l’équipe préparant l’étude de ces objets par Roman. « Ils sont rares et très difficiles à trouver. Nous avons dû avoir de la chance pour en détecter quelques-uns assez tôt. Le champ de vision étendu de Roman et ses images répétées en haute résolution contribueront à ces chances.
En utilisant divers observatoires comme le télescope spatial Hubble de la NASA et Télescope spatial James Webb, les astronomes n’ont découvert que huit supernovae à lentille gravitationnelle dans l’univers. Cependant, seuls deux de ces huit ont été des candidats viables pour mesurer la constante de Hubble en raison du type de supernovae dont il s’agit et de la durée de leur imagerie retardée.
Lentille gravitationnelle expliquée
La lentille gravitationnelle se produit lorsque la lumière d’un objet comme une explosion stellaire, en route vers la Terre, traverse une galaxie ou un amas de galaxies et est déviée par l’immense champ gravitationnel. La lumière se divise selon différents chemins et forme plusieurs images de la supernova dans le ciel telle que nous la voyons. Selon les différences entre les trajectoires, les images de supernova apparaissent avec un retard de quelques heures, voire plusieurs mois, voire plusieurs années. Mesurer avec précision cette différence de temps d’arrivée entre les multiples images conduit à une combinaison de distances qui contraignent la constante de Hubble.
« Sonder ces distances d’une manière fondamentalement différente des méthodes plus courantes, avec le même observatoire dans ce cas, peut aider à faire la lumière sur les raisons pour lesquelles diverses techniques de mesure ont donné des résultats différents », a ajouté Justin Pierel de STScI, co-responsable du programme chez Strolger. .
Trouver l’aiguille dans la botte de foin
Les études approfondies de Roman permettront de cartographier l’univers beaucoup plus rapidement que Hubble, le télescope « voyant » plus de 100 fois la superficie de Hubble en une seule image.
« Plutôt que de rassembler plusieurs photos d’arbres, ce nouveau télescope nous permettra de voir toute la forêt en un seul instantané », explique Pierel.
En particulier, le High Latitude Time Domain Survey observera la même zone du ciel à plusieurs reprises, ce qui permettra aux astronomes d’étudier des cibles qui changent au fil du temps. Cela signifie qu’il y aura une quantité extraordinaire de données – plus de 5 milliards de pixels à chaque fois – à parcourir pour trouver ces événements très rares.
Une équipe dirigée par Strolger et Pierel au STScI prépare le terrain pour trouver des supernovae à lentille gravitationnelle dans les données romaines grâce à un projet financé par le programme Opportunités de recherche en sciences de l’espace et de la Terre (ROSES) de la NASA Nancy Grace Roman Space Telescope Research and Support Participation Opportunities program.
« Comme celles-ci sont rares, exploiter tout le potentiel des supernovae à lentille gravitationnelle dépend d’un niveau élevé de préparation », a déclaré Pierel. « Nous voulons que tous les outils permettant de trouver ces supernovae soient prêts dès le départ afin de ne pas perdre de temps à parcourir des téraoctets de données lorsqu’elles arrivent. »
Le projet sera réalisé par une équipe de chercheurs de divers centres et universités de la NASA à travers le pays.
La préparation se déroulera en plusieurs étapes. L’équipe créera des pipelines de réduction de données conçus pour détecter automatiquement les supernovae à lentille gravitationnelle dans l’imagerie romaine. Pour former ces pipelines, les chercheurs créeront également une imagerie simulée : 50 000 lentilles simulées sont nécessaires, et il n’existe actuellement que 10 000 lentilles réelles connues.
Les pipelines de réduction des données créés par l’équipe de Strolger et Pierel viendront compléter les pipelines en cours de création pour étudier l’énergie noire avec les supernovae de type Ia.
« Roman est véritablement la première opportunité de créer un échantillon de référence de supernovae à lentille gravitationnelle », a conclu Strolger. « Toutes nos préparations produiront désormais tous les composants nécessaires pour garantir que nous pouvons exploiter efficacement l’énorme potentiel de la cosmologie. »
Le télescope spatial romain Nancy Grace est géré au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, dans le Maryland, avec la participation du Jet Propulsion Laboratory de la NASA et de Caltech/IPAC en Californie du Sud, du Space Telescope Science Institute de Baltimore et d’une équipe scientifique composée de scientifiques de divers les établissements de recherche. Les principaux partenaires industriels sont Ball Aerospace and Technologies Corporation à Boulder, Colorado ; L3Harris Technologies à Melbourne, en Floride ; et Teledyne Scientific & Imaging à Thousand Oaks, en Californie.
