Regarder à mi-chemin de l’univers observable et s’attendre à voir des étoiles individuelles est considéré comme un vœu pieux en astronomie, un peu comme lever des jumelles vers la Lune dans l’espoir d’apercevoir des grains de poussière individuels à l’intérieur de ses cratères. Grâce à une bizarrerie cosmique de la nature, une équipe internationale d’astronomes a réussi à y parvenir.
À l'aide du télescope spatial James Webb (JWST) de la NASA, Fengwu Sun, chercheur postdoctoral au Centre d'astrophysique Harvard & Smithsonian (CfA), et son équipe ont observé une galaxie située à près de 6,5 milliards d'années-lumière de la Terre, à une époque où l'univers avait la moitié de son âge actuel. Dans cette galaxie lointaine, l'équipe a identifié 44 étoiles individuelles, rendues visibles grâce à un effet connu sous le nom de lentille gravitationnelle et au fort pouvoir de captation de la lumière du JWST.
Publiée dans la revue Nature Astronomy , cette découverte constitue un record : le plus grand nombre d'étoiles individuelles détectées dans l'univers lointain. Elle offre également un moyen d'étudier l'un des plus grands mystères de l'univers : la matière noire.
« Cette découverte révolutionnaire démontre, pour la première fois, qu'il est possible d'étudier un grand nombre d'étoiles individuelles dans une galaxie lointaine », a déclaré Sun, co-auteur de l'étude.
« Alors que les études précédentes avec le télescope spatial Hubble avaient permis de détecter environ sept étoiles, nous avons désormais la capacité de distinguer des étoiles qui étaient auparavant hors de notre portée. Il est important de noter que l'observation d'un plus grand nombre d'étoiles individuelles nous aidera également à mieux comprendre la matière noire dans le plan de lentille de ces galaxies et étoiles, ce que nous ne pouvions pas faire avec seulement la poignée d'étoiles individuelles observées auparavant. »
Sun, du CfA, a découvert ce trésor d'étoiles en inspectant les images JWST d'une galaxie connue sous le nom de Dragon Arc, située le long de la ligne de visée de la Terre derrière un amas massif de galaxies appelé Abell 370. En raison de son effet de lentille gravitationnelle, Abell 370 étire la spirale caractéristique de Dragon Arc en une forme allongée, comme une salle des miroirs aux proportions cosmiques.
L'équipe de recherche a analysé avec soin les couleurs de chacune des étoiles de l'Arc du Dragon et a découvert que bon nombre d'entre elles sont des supergéantes rouges , semblables à Bételgeuse dans la constellation d'Orion, qui en est aux derniers stades de sa vie. Cela contraste avec les découvertes précédentes, qui identifiaient principalement des « supergéantes » bleues semblables à Rigel et Deneb, qui comptent parmi les étoiles les plus brillantes du ciel nocturne.
Selon les chercheurs, cette différence dans les types d’étoiles met également en évidence la puissance unique des observations du JWST aux longueurs d’onde infrarouges qui pourraient révéler des étoiles à des températures plus basses.
« Lorsque nous avons découvert ces étoiles individuelles, nous cherchions en fait une galaxie d'arrière-plan agrandie par effet de lentille par les galaxies de cet amas massif », a déclaré Sun. « Mais lorsque nous avons traité les données, nous avons réalisé qu'il y avait ce qui semblait être un grand nombre de points stellaires individuels. C'était une découverte passionnante car c'était la première fois que nous pouvions voir autant d'étoiles individuelles aussi loin. »
Sun, en particulier, est enthousiasmé par la prochaine opportunité d’étudier ces supergéantes rouges.
« Nous en savons plus sur les supergéantes rouges de notre voisinage galactique local car elles sont plus proches et nous pouvons prendre de meilleures images et spectres, et parfois même distinguer les étoiles. Nous pouvons utiliser les connaissances que nous avons acquises en étudiant les supergéantes rouges dans l'univers local pour interpréter ce qui se passe ensuite pour elles à une époque aussi précoce de la formation des galaxies dans des études futures. »
La plupart des galaxies, y compris la Voie lactée, contiennent des dizaines de milliards d’étoiles. Dans les galaxies proches comme la galaxie d’Andromède, les astronomes peuvent observer les étoiles une par une. Cependant, dans les galaxies situées à des milliards d’années-lumière, les étoiles semblent mélangées, car leur lumière doit parcourir des milliards d’années-lumière avant de nous atteindre, ce qui représente un défi de longue date pour les scientifiques qui étudient la formation et l’évolution des galaxies.
« Pour nous, les galaxies très lointaines ressemblent généralement à des taches diffuses et floues », explique Yoshinobu Fudamoto, auteur principal de l'étude et professeur adjoint à l'université de Chiba au Japon. « Mais en réalité, ces taches sont constituées de très nombreuses étoiles individuelles. Nous ne pouvons tout simplement pas les distinguer avec nos télescopes. »
Les progrès récents de l’astronomie ont ouvert de nouvelles possibilités en exploitant les lentilles gravitationnelles , un effet de grossissement naturel provoqué par les champs gravitationnels intenses des objets massifs. Comme l’avait prédit Albert Einstein, les lentilles gravitationnelles peuvent amplifier la lumière des étoiles lointaines par des facteurs de plusieurs centaines, voire de plusieurs milliers, les rendant détectables avec des instruments sensibles comme le JWST.
« Ces découvertes se limitent généralement à une ou deux étoiles par galaxie », a expliqué Fudamoto. « Pour étudier les populations stellaires de manière statistiquement significative, nous avons besoin de beaucoup plus d'observations d'étoiles individuelles. »
Les futures observations du JWST devraient permettre de capturer davantage d’étoiles agrandies dans la galaxie de l’Arc du Dragon. Ces efforts pourraient conduire à des études détaillées de centaines d’étoiles dans des galaxies lointaines. De plus, les observations d’étoiles individuelles pourraient donner un aperçu de la structure des lentilles gravitationnelles et même faire la lumière sur la nature insaisissable de la matière noire.
Plus d'informations : Yoshinobu Fudamoto et al., Identification de plus de 40 étoiles agrandies par gravitation dans une galaxie à décalage vers le rouge de 0,725, Nature Astronomy (2025). DOI : 10.1038/s41550-024-02432-3
Fourni par le Centre d'astrophysique Harvard-Smithsonian
