Grâce à un alignement cosmique rare, les astronomes ont capturé l'étoile normale la plus éloignée jamais observée, à 9 milliards d'années-lumière de la Terre.

Alors que les astronomes étudient régulièrement des galaxies beaucoup plus éloignées, elles ne sont visibles que parce qu'elles brillent de l'éclat de milliards d'étoiles. Et une supernova, souvent plus brillant que la galaxie dans laquelle il se trouve, peut également être visible à travers l'univers entier.

Au-delà d'une distance d'environ 100 millions d'années-lumière, cependant, les étoiles de ces galaxies sont impossibles à distinguer individuellement.

Mais un phénomène appelé lentille gravitationnelle - la courbure de la lumière par d'énormes amas de galaxies dans la ligne de mire - peut agrandir l'univers lointain et assombrir, objets lointains visibles. Typiquement, la lentille grossit les galaxies jusqu'à 50 fois, mais dans ce cas, l'étoile a été grossie de plus de 2, 000 fois. Il a été découvert dans les images du télescope spatial Hubble de la NASA prises fin avril 2016 et pas plus tard qu'en avril 2017.

"Vous pouvez voir des galaxies individuelles là-bas, mais cette étoile est au moins 100 fois plus éloignée que la prochaine étoile individuelle que nous pouvons étudier, sauf pour les explosions de supernova, " a déclaré Patrick Kelly, ancien chercheur postdoctoral de l'UC Berkeley, maintenant membre du corps professoral de l'Université du Minnesota, Villes jumelles. Kelly est le premier auteur d'un article sur la découverte publié en ligne cette semaine avant sa publication dans la revue Astronomie de la nature .

La découverte de l'étoile, que les astronomes appellent souvent Icare plutôt que par son nom officiel, MACS J1149 Lensed Star 1 (LS1), lance une nouvelle technique permettant aux astronomes d'étudier les étoiles individuelles dans les galaxies formées pendant les premiers jours de l'univers. Ces observations peuvent fournir un aperçu rare de l'évolution des étoiles, surtout les plus lumineuses.

"Pour la première fois, nous voyons une étoile normale individuelle - pas une supernova, pas un sursaut gamma, mais une seule étoile stable - à une distance de neuf milliards d'années-lumière, " a déclaré Alex Filippenko, professeur d'astronomie à l'UC Berkeley et l'un des nombreux co-auteurs du rapport. "Ces lentilles sont d'incroyables télescopes cosmiques."

L'équipe d'astronomie a également utilisé Icarus pour tester et rejeter une théorie de la matière noire - qu'elle consiste en de nombreux trous noirs primordiaux cachés à l'intérieur des amas de galaxies - et pour sonder la composition de la matière normale et de la matière noire dans l'amas de galaxies.

Bague Einstein

Kelly a remarqué l'étoile alors qu'il surveillait une supernova qu'il avait découverte en 2014 en utilisant Hubble pour regarder à travers une lentille gravitationnelle dans la constellation du Lion. Cette supernova, surnommé SN Refsdal en l'honneur du regretté astrophysicien norvégien Sjur Refsdal, un pionnier des études de lentilles gravitationnelles, a été divisé en quatre images par l'objectif, un amas de galaxies massif appelé MACS J1149+2223, situé à environ 5 milliards d'années-lumière de la Terre.

Soupçonnant qu'Icare pourrait être plus grossi que SN Refsdal, Kelly et son équipe ont analysé les couleurs de la lumière qui en provenait et ont découvert qu'il s'agissait d'une seule étoile, une supergéante bleue. Cette étoile de type B est beaucoup plus grande, plus massif, plus chaud et peut-être des centaines de milliers de fois intrinsèquement plus lumineux que notre Soleil, mais encore beaucoup trop loin pour voir sans l'amplification de la lentille gravitationnelle.

En modélisant la lentille, ils ont conclu que le formidable éclaircissement apparent d'Icare était probablement causé par un effet unique de lentille gravitationnelle. Tandis qu'un objectif étendu, comme un amas de galaxies, peut seulement agrandir un objet d'arrière-plan jusqu'à 50 fois, des objets plus petits peuvent grossir beaucoup plus. Une seule étoile dans une lentille de premier plan, si précisément aligné avec une étoile d'arrière-plan, peut agrandir l'étoile de fond des milliers de fois. Dans ce cas, une étoile de la taille de notre soleil a brièvement traversé directement la ligne de mire entre l'étoile lointaine Icare et Hubble, augmentant sa luminosité de plus de 2, 000 fois.

En réalité, si l'alignement était parfait, cette étoile unique au sein de l'amas a transformé la lumière de l'étoile éloignée en un « anneau d'Einstein » :un halo de lumière créé lorsque la lumière de l'étoile éloignée se courbe de tous les côtés de l'étoile lentille. L'anneau est trop petit pour le discerner à cette distance, mais l'effet a rendu l'étoile facilement visible en grossissant son éclat apparent.

Kelly a vu une deuxième étoile dans l'image de Hubble, qui pourrait être soit une image miroir d'Icare, ou une étoile différente ayant une lentille gravitationnelle.

"Il y a des alignements comme celui-ci partout alors que les étoiles d'arrière-plan ou les étoiles dans les galaxies lentilles se déplacent, offrant la possibilité d'étudier des étoiles très lointaines datant de l'univers primordial, tout comme nous avons utilisé la lentille gravitationnelle pour étudier les galaxies lointaines, " a déclaré Filippenko. "Pour ce type de recherche, la nature nous a fourni un télescope plus grand que ce que nous pouvons probablement construire !"

Quant à Icare, les astronomes prédisent qu'il sera amplifié plusieurs fois au cours de la prochaine décennie à mesure que les étoiles des amas se déplaceront, peut-être en augmentant sa luminosité jusqu'à 10, 000 fois.