Peser la galaxie d’un quasar avec précision

“La précision et l’exactitude sans précédent obtenues avec la lentille gravitationnelle offrent une nouvelle voie pour obtenir des estimations de masse robustes dans l’Univers lointain, où les techniques conventionnelles manquent de précision et sont sujettes à des biais”, déclare l’astrophysicien de l’EPFL Frédéric Courbin, auteur principal de l’étude.

“Les masses des galaxies hôtes ont été mesurées dans le passé, mais grâce à la lentille gravitationnelle, c’est la première fois que la mesure est aussi précise dans l’Univers lointain”, explique Martin Millon, auteur principal de l’étude et actuellement à l’université de Stanford. sur une subvention du FNS.

Combinaison de lentilles gravitationnelles et de quasars

Un quasar est une manifestation lumineuse d’un trou noir supermassif qui accrète la matière environnante, assis au centre d’une galaxie hôte. Il est généralement difficile de mesurer le poids de la galaxie hôte d’un quasar parce que les quasars sont des objets très éloignés, et aussi parce qu’ils sont si brillants qu’ils éclipsent tout ce qui se trouve à proximité.

La lentille gravitationnelle nous permet de calculer la masse de l’objet lentille. Grâce à la théorie de la gravitation d’Einstein, nous savons comment des objets massifs au premier plan du ciel nocturne – la lentille gravitationnelle – peuvent dévier la lumière provenant d’objets en arrière-plan. Il en résulte d’étranges anneaux de lumière, qui sont en fait des distorsions de la lumière de l’objet d’arrière-plan par la lentille gravitationnelle.

Courbin se rendait à vélo à l’Observatoire de Sauverny, il y a plus de dix ans, lorsqu’il s’est rendu compte qu’il pouvait combiner les deux – quasars et lentilles gravitationnelles – pour mesurer la masse de la galaxie hôte d’un quasar. Pour cela, il devait trouver un quasar dans une galaxie qui agisse également comme une lentille gravitationnelle.

Une poignée de quasars à lentille gravitationnelle observés jusqu’à présent

La base de données Sloan Digital Sky Survey (SDSS) était un excellent endroit pour rechercher des candidats quasars à lentille gravitationnelle, mais pour être sûr, Courbin devait voir les anneaux de lentille. En 2010, lui et ses collègues ont commandé du temps sur le télescope spatial Hubble pour observer 4 candidats dont 3 ont montré une lentille. Parmi les trois, un s’est démarqué par ses anneaux de lentilles gravitationnelles caractéristiques : SDSS J0919+2720.

L’image HST de SDSS J0919+2720 montre deux objets brillants au premier plan qui agissent chacun comme une lentille gravitationnelle, “probablement deux galaxies en train de fusionner”, explique Courbin. Celui de gauche est un quasar brillant, dans une galaxie hôte trop faible pour être observée. L’objet brillant à droite est une autre galaxie, la lentille gravitationnelle principale. Un objet faible à l’extrême gauche est une galaxie compagne. Les anneaux caractéristiques sont de la lumière déformée provenant d’une galaxie d’arrière-plan.

La modélisation numérique des lentilles à la rescousse

En analysant soigneusement les anneaux à lentilles gravitationnelles dans SDSS J0919+2720, il est possible de déterminer la masse des deux objets brillants… en principe. Démêler les masses des différents objets aurait été impossible sans le développement récent d’une technique de modélisation de lentille à base d’ondelettes par le co-auteur Aymeric Galan, actuellement à l’Université technique de Münich (TUM), également sur une subvention SNF.

“L’un des plus grands défis de l’astrophysique est de comprendre comment se forme un trou noir supermassif”, explique Galan. “Connaître sa masse, comment elle se compare à sa galaxie hôte et comment elle évolue à travers les temps cosmiques, c’est ce qui nous permet d’écarter ou de valider certaines théories de formation.”

« Dans l’Univers local, nous observons que les galaxies les plus massives hébergent également les trous noirs les plus massifs en leur centre. Cela pourrait suggérer que la croissance des galaxies est régulée par la quantité d’énergie rayonnée par leur trou noir central et injectée dans la galaxie. Cependant, pour tester cette théorie, nous devons encore étudier ces interactions non seulement localement mais aussi dans l’Univers lointain », explique Millon.

Les événements de lentille gravitationnelle sont très rares, une galaxie sur mille dévoilant le phénomène. Étant donné que les quasars sont observés dans environ une galaxie sur mille, un quasar agissant comme une lentille est un sur un million. Les scientifiques s’attendent à détecter des centaines de ces quasars à effet de lentille avec la mission ESA-NASA Euclid, qui sera lancée cet été avec une fusée Falcon-9 SpaceX.