Regarder dans l'univers, c'est comme regarder dans un miroir funhouse. C'est parce que la gravité déforme le tissu de l'espace, créer des illusions d'optique.

Beaucoup de ces illusions d'optique apparaissent lorsque la lumière d'une galaxie lointaine est amplifiée, étiré, et s'illumine lorsqu'il traverse une galaxie massive ou un amas de galaxies devant lui. Ce phénomène, appelé lentille gravitationnelle, produit plusieurs, étiré, et des images éclaircies de la galaxie d'arrière-plan.

Ce phénomène permet aux astronomes d'étudier des galaxies si éloignées qu'elles ne peuvent être vues autrement que par les effets de lentille gravitationnelle. Le défi consiste à essayer de reconstituer les galaxies lointaines à partir des formes étranges produites par la lentille.

Mais les astronomes utilisant le télescope spatial Hubble sont tombés sur une forme aussi étrange lors de l'analyse des quasars, les noyaux flamboyants des galaxies actives. Ils ont repéré deux brillants, des objets linéaires qui semblaient être des images miroir les uns des autres. Un autre objet bizarre était à proximité.

Les caractéristiques ont tellement déconcerté les astronomes qu'il leur a fallu plusieurs années pour percer le mystère. Avec l'aide de deux experts en lentilles gravitationnelles, les chercheurs ont déterminé que les trois objets étaient les images déformées d'un lointain, galaxie inconnue. Mais la plus grande surprise était que les objets linéaires étaient des copies exactes les uns des autres, un événement rare causé par l'alignement précis de la galaxie d'arrière-plan et de l'amas de lentilles au premier plan.

Les astronomes ont vu des choses assez étranges éparpillées dans notre vaste univers, de l'explosion d'étoiles à la collision de galaxies. Donc, on pourrait penser que lorsqu'ils voient un étrange objet céleste, ils seraient en mesure de l'identifier.

Mais le télescope spatial Hubble de la NASA a découvert ce qui semble être une paire d'objets identiques qui semblent si étranges qu'il a fallu plusieurs années aux astronomes pour déterminer ce qu'ils sont.

"Nous étions vraiment perplexes, " a déclaré l'astronome Timothy Hamilton de la Shawnee State University à Portsmouth, Ohio.

Les objets étranges se composent d'une paire de renflements galactiques (le moyeu central rempli d'étoiles d'une galaxie) et d'au moins trois stries divisées presque parallèles. Hamilton les a repérés par accident en utilisant Hubble pour étudier une collection de quasars, les noyaux flamboyants des galaxies actives.

Après avoir couru après les théories sans issue, solliciter l'aide de collègues, et faire beaucoup de grattage de tête, Hamilton et l'équipe en pleine croissance, dirigé par Richard Griffiths de l'Université d'Hawaï à Hilo, enfin rassembler tous les indices pour résoudre le mystère.

Les objets linéaires étaient les images étirées d'une galaxie lointaine à lentille gravitationnelle, situé à plus de 11 milliards d'années-lumière. Et, ils semblaient être des images miroir l'un de l'autre.

L'équipe a découvert que l'immense gravité d'un intervenant, et non catalogué, l'amas de galaxies au premier plan déformait l'espace, grossissant, éclaircissement, et étirant l'image d'une galaxie lointaine derrière elle, un phénomène appelé lentille gravitationnelle. Bien que les sondages Hubble révèlent beaucoup de ces distorsions de miroir funhouse causées par la lentille gravitationnelle, cet objet était particulièrement perplexe.

Dans ce cas, un alignement précis entre une galaxie d'arrière-plan et un amas de galaxies de premier plan produit des copies agrandies jumelles de la même image de la galaxie distante. Ce phénomène rare se produit parce que la galaxie d'arrière-plan chevauche une ondulation dans le tissu de l'espace. Cette " ondulation " est une zone de plus grand grossissement, causée par la gravité de quantités denses de matière noire, la colle invisible qui constitue la majeure partie de la masse de l'univers. Alors que la lumière de la galaxie lointaine traverse l'amas le long de cette ondulation, deux images miroir sont produites, avec une troisième image qui peut être vue sur le côté.

Griffiths compare cet effet aux motifs ondulés brillants observés au fond d'une piscine. "Pensez à la surface ondulée d'une piscine par une journée ensoleillée, montrant des motifs de lumière vive au fond de la piscine, " expliqua-t-il. " Ces motifs brillants sur le fond sont causés par un effet similaire à celui des lentilles gravitationnelles. Les ondulations à la surface agissent comme des lentilles partielles et concentrent la lumière du soleil en motifs ondulés brillants sur le fond."

Dans la galaxie lointaine à lentille gravitationnelle, l'ondulation grossit et déforme considérablement la lumière de la galaxie d'arrière-plan qui traverse l'amas. L'ondulation agit comme un miroir incurvé imparfait qui génère les doubles copies.

Résoudre le mystère

Mais ce phénomène rare n'était pas bien connu lorsque Hamilton a repéré les étranges caractéristiques linéaires en 2013.

Alors qu'il regardait à travers les images de quasar, l'instantané des images en miroir et des stries parallèles se démarquait. Hamilton n'avait jamais rien vu de tel auparavant, et ni l'un ni l'autre n'avait d'autres membres de l'équipe.

"Ma première pensée a été qu'il s'agissait peut-être de galaxies en interaction avec des bras étirés par les marées, " a déclaré Hamilton. " Cela ne correspondait pas vraiment bien, mais je ne savais pas quoi penser d'autre."

Alors Hamilton et l'équipe ont commencé leur quête pour résoudre le mystère de ces lignes droites alléchantes, plus tard surnommé l'objet de Hamilton pour son découvreur. Ils ont montré l'image étrange à des collègues lors de conférences d'astronomie, qui a suscité diverses réponses, des cordes cosmiques aux nébuleuses planétaires.

Mais alors Griffiths, qui n'était pas membre de l'équipe d'origine, a offert l'explication la plus plausible lorsque Hamilton lui a montré l'image lors d'une réunion de la NASA en 2015. Il s'agissait d'une image agrandie et déformée causée par un phénomène de lentille similaire à ceux observés dans les images Hubble d'autres amas de galaxies massifs qui amplifient les images de galaxies très éloignées. . Griffiths a confirmé cette idée lorsqu'il a appris l'existence d'un objet linéaire similaire dans l'une des études d'amas profonds de Hubble.

Les chercheurs, cependant, avait encore un problème. Ils n'ont pas pu identifier le groupe de lentilles. Normalement, les astronomes qui étudient les amas de galaxies voient d'abord l'amas de premier plan qui provoque la lentille, puis trouvez les images agrandies de galaxies lointaines au sein de l'amas. Une recherche des images du Sloan Digital Sky Survey a révélé qu'un amas de galaxies résidait dans la même zone que les images agrandies, mais il n'est apparu dans aucune enquête cataloguée. Néanmoins, le fait que les images étranges se trouvaient au centre d'un amas montrait clairement à Griffiths que l'amas produisait les images lentilles.

L'étape suivante des chercheurs consistait à déterminer si les trois images lentilles étaient à la même distance, et donc étaient tous les portraits déformés de la même galaxie lointaine. Des mesures spectroscopiques avec les observatoires Gemini et W. M. Keck à Hawaï ont aidé les chercheurs à faire cette confirmation, montrant que les images de l'objectif provenaient d'une galaxie située à plus de 11 milliards d'années-lumière.

La galaxie lointaine, sur la base d'une reconstruction de la troisième image lentille, semble être un bord-sur, spirale barrée avec en cours, formation d'étoiles touffues.

À peu près au même moment que les observations spectroscopiques de Griffiths et d'étudiants de premier cycle à Hilo, un groupe distinct de chercheurs à Chicago a identifié le cluster et mesuré sa distance à l'aide des données de Sloan. L'amas se trouve à plus de 7 milliards d'années-lumière.

Mais, avec très peu d'informations sur le cluster, L'équipe de Griffiths avait encore du mal à interpréter ces formes de lentilles inhabituelles. "Cette lentille gravitationnelle est très différente de la plupart des lentilles étudiées auparavant par Hubble, en particulier dans l'enquête Hubble Frontier Fields sur les clusters, " expliqua Griffiths. " Vous n'avez pas besoin de regarder ces amas pendant longtemps pour trouver de nombreuses lentilles. Dans cet objet, c'est le seul objectif que nous ayons. Et nous ne connaissions même pas le cluster au début."

Cartographier l'invisible

C'est alors que Griffiths a appelé un expert en théorie des lentilles gravitationnelles, Jenny Wagner de l'Université de Heidelberg en Allemagne. Wagner avait étudié des objets similaires, et avec son collègue Nicolas Tessore, maintenant à l'Université de Manchester en Angleterre, développé un logiciel informatique pour interpréter des lentilles uniques comme celle-ci. Leur logiciel a aidé l'équipe à comprendre comment les trois images d'objectif sont nées. Ils ont conclu que la matière noire autour des images étirées devait être « lisse » répartie dans l'espace à petite échelle.

"C'est formidable que nous n'ayons besoin que de deux images miroir pour mesurer à quel point la matière noire peut être agglomérée ou non à ces positions, " dit Wagner. " Tiens, nous n'utilisons aucun modèle d'objectif. On prend juste les observables des multiples images et le fait qu'elles puissent se transformer les unes dans les autres. Ils peuvent être pliés les uns dans les autres par notre méthode. Cela nous donne déjà une idée de la fluidité de la matière noire à ces deux positions. »

Ce résultat est important, Griffiths a dit, parce que les astronomes ne savent toujours pas ce qu'est la matière noire, près d'un siècle après sa découverte. "Nous savons que c'est une forme de matière, mais nous n'avons aucune idée de ce qu'est la particule constitutive. Nous ne savons donc pas du tout comment il se comporte. Nous savons juste qu'il a une masse et qu'il est soumis à la gravité. L'importance des limites de taille sur l'agglutination ou la douceur est qu'elle nous donne quelques indices sur ce que pourrait être la particule. Plus les amas de matière noire sont petits, plus les particules doivent être massives."