Lorsque l'astrophysicien théorique de Rutgers, Charles Keeton, a d'abord vu une image inhabituelle partagée par son collègue, il a été intrigué.
« Avez-vous déjà vu une croix d'Einstein avec une image au milieu? » Son collègue Andrew Baker a demandé, se référant à une configuration cosmique rarement vue.
Keeton ne l'avait pas fait. Les implications étaient énormes.
« J'ai dit, eh bien, ce n'est pas censé se produire », a déclaré Keeton, vice-prévôt pour l'apprentissage expérientiel à l'Université Rutgers – New Brunswick. « Vous ne pouvez pas obtenir une cinquième image au centre à moins que quelque chose d'inhabituel ne se passe avec la masse qui plie la lumière. »
Une « croix d'Einstein » est une configuration cosmique rarement vue, dans laquelle la lumière d'une galaxie éloignée est pliée par la gravité des galaxies devant elle, créant quatre images. Mais l'image supplémentaire de cette croix d'Einstein a indiqué « quelque chose d'inhabituel », qui s'est avéré être un halo massif et caché de matière noire. L'existence de cette structure invisible ne peut être déduite que par une modélisation et une analyse informatiques soigneuses.
La découverte, faite par une équipe internationale qui comprend Keeton, Baker et Rutgers, étudiante diplômée, Lana Eid, a maintenant été publiée dans Le journal astrophysique.
La matière noire constitue la majeure partie de la matière dans l'univers, mais on ne peut pas voir directement. « Nous savons seulement que c'est là à cause de la façon dont cela affecte les choses que nous pouvons voir, comme la façon dont il se plie la lumière des galaxies lointaines », a déclaré Baker, professeur distingué dans le Département de physique et d'astronomie à l'École des arts et des sciences et co-auteur de l'étude. « Cette découverte nous donne une rare chance d'étudier cette structure invisible en détail. »
La première étape vers cette découverte a été prise en France.
« Nous nous disions: » Qu'est-ce que le diable? « », A déclaré Pierre Cox, astronome français, directeur de recherche au Centre national français de recherche scientifique et auteur principal de l'étude, qui a d'abord repéré l'anomalie des données de la gamme de millimètres prolongée du Nord (NOEMA) des radiotélescopes dans les Alpes françaises.
« Cela ressemblait à une croix, et il y avait cette image au centre », a déclaré Cox. « Je savais que je n'avais jamais vu ça auparavant. »
L'équipe étudiait une galaxie éloignée et poussiéreuse appelée Hers-3. En utilisant le NOEMA et le grand réseau de millimètres / submillimétriques (Alma) au Chili, ils ont vu que la lumière du sien-3 se divise en cinq plutôt que quatre images. Au début, ils pensaient que ce pourrait être un problème dans les données. Mais la cinquième image ne disparaîtrait pas.
« Nous avons essayé de s'en débarrasser », a déclaré Cox. « Nous pensions que c'était un problème avec l'instrument. Mais c'était réel. »
La modélisation informatique de la lentille gravitationnelle par Keeton et Eid a montré que les quatre galaxies de premier plan visibles provoquant la flexion gravitationnelle ne pouvaient pas expliquer les détails du modèle à cinq images. Ce n'est qu'avec l'ajout d'une grande masse invisible, dans ce cas, un halo de matière noire, que le modèle pourrait correspondre aux observations.
« Nous avons essayé toutes les configurations raisonnables en utilisant uniquement les galaxies visibles, et aucun d'entre eux n'a fonctionné », a déclaré Keeton, également professeur au Département de physique et d'astronomie et co-auteur de l'étude. « La seule façon de faire le calcul des calculs et de la physique était d'ajouter un halo de la matière noire. C'est la puissance de la modélisation. Cela aide à révéler ce que vous ne pouvez pas voir. »
La configuration inhabituelle n'a pas seulement l'air cool: les scientifiques ont dit que c'était scientifiquement précieux. L'effet de lentille amplifie la galaxie d'arrière-plan, permettant aux astronomes d'étudier sa structure plus en détail que d'habitude. Il offre également une rare chance de se renseigner sur la matière noire qui entoure les galaxies de premier plan.
« Ce système est comme un laboratoire naturel », a déclaré Cox. « Nous pouvons étudier à la fois la galaxie lointaine et la matière invisible qui plie sa lumière. »
Eid, une étudiante diplômée de Rutgers poursuivant son doctorat et co-auteur de l'étude, a déclaré que son implication dans le projet de recherche était passionnante du début à la fin.
« J'ai été ravi de rejoindre ce projet en tant qu'étudiant diplômé, d'autant plus qu'il impliquait un système de lentille fascinant qui est devenu plus intrigant à mesure que nos modèles ont évolué », a déclaré l'Aïd. « La collaboration entre les continents et les fuseaux horaires m'a appris la valeur de l'expertise et des styles de recherche diversifiés pour comprendre pleinement une nouvelle découverte. »
L'équipe a même prédit que davantage de caractéristiques, telles que le gaz à déborder de la galaxie, pourraient être visibles dans les observations futures. Si ces prédictions sont confirmées, ce serait une puissante validation de leurs modèles. Sinon, cela leur apprendrait toujours quelque chose de nouveau.
« Il s'agit d'une prédiction falsifiable », a déclaré Keeton. « Si nous regardons et ne le voyons pas, nous devrons retourner à la planche à dessin. C'est ainsi que fonctionne la science. »
Baker a déclaré que la découverte avait été critiquer par la collaboration internationale et le soutien fédéral américain à la science. « Alma au Chili et le très grand tableau (VLA) au Nouveau-Mexique sont soutenus par la National Science Foundation, et le télescope spatial Hubble est soutenu par la NASA; tous ont joué un rôle vital dans ce travail », a-t-il déclaré. « Nous espérons qu'ils continueront de permettre de telles découvertes dans le futur. »
