SN Winny : une lentille gravitationnelle multiplie l'image d'une supernova

Le taux d'expansion de notre univers, connu sous le nom de constante de Hubble, demeure l'un des litiges les plus importants de la physique moderne, créant une divergence qui remet en question le modèle standard de la cosmologie. Une équipe de recherche de la Technical University of Munich (TUM), de la Ludwig Maximilians University (LMU) et des Max Planck Institutes (MPA et MPE) a identifié un événement céleste rare qui pourrait enfin résoudre ce conflit. En août 2025, des astronomes ont découvert SN 2025wny, surnommée SN Winny, une supernova superlumineuse dont la lumière a été divisée en cinq images distinctes par une lentille gravitationnelle. Cet alignement unique constitue un outil direct, en une seule étape, pour mesurer les distances cosmiques et calculer le taux d'expansion avec une précision sans précédent.

Qu'est-ce que la tension de Hubble ?

La tension de Hubble fait référence au désaccord significatif entre deux méthodes principales utilisées pour calculer le taux d'expansion de l'univers. L'une des méthodes mesure l'univers « local » à l'aide de l'échelle des distances cosmiques, tandis que l'autre analyse le fond diffus cosmologique (CMB) datant de l'univers primordial. Malgré la grande précision de ces deux approches, les résultats ne concordent pas, ce qui suggère que notre compréhension fondamentale de la physique ou de l'énergie noire pourrait être incomplète. Résoudre cette tension est crucial car la constante de Hubble dicte l'âge, la taille et le destin ultime du cosmos.

Les mesures traditionnelles reposent souvent sur des étapes de calibration complexes. La méthode locale utilise des « chandelles standard », telles que certains types d'étoiles ou de supernovae, pour estimer les distances. Cependant, comme chaque étape de l'échelle des distances cosmiques dépend de la précision de la précédente, de petites erreurs systématiques peuvent s'accumuler. À l'inverse, la méthode du CMB s'appuie sur des modèles d'évolution de l'univers sur des milliards d'années. Si ces modèles contiennent ne serait-ce que de légères inexactitudes concernant le comportement de l'énergie noire ou de la matière, le taux d'expansion calculé sera faussé. SN Winny offre un moyen de contourner ces problèmes grâce à une mesure géométrique directe.

Comment le lentillage gravitationnel crée-t-il des images multiples d'une supernova ?

Le lentillage gravitationnel crée des images multiples d'une supernova lorsqu'une galaxie massive ou un amas de galaxies au premier plan courbe et amplifie la lumière de la supernova le long de trajectoires distinctes. Selon la relativité générale d'Einstein, la gravité déforme le tissu de l'espace-temps ; alors que la lumière de SN Winny voyageait sur 10 milliards d'années-lumière vers la Terre, elle a rencontré deux galaxies de premier plan. Cet alignement massif a agi comme une loupe cosmique naturelle, divisant la lumière en cinq chemins distincts de longueurs variables, ce qui a fait apparaître dans le ciel nocturne cinq copies bleutées de la même étoile en train d'exploser.

La géométrie de ce système de lentille spécifique est exceptionnellement propre, ce qui marque une rupture avec les découvertes précédentes. « Jusqu'à présent, la plupart des supernovae soumises à un effet de lentille étaient amplifiées par des amas de galaxies massifs, dont les distributions de masse sont complexes et difficiles à modéliser », explique Allan Schweinfurth, chercheur à la TUM. Parce que SN Winny est soumise à l'effet de lentille de seulement deux galaxies individuelles présentant des distributions de masse régulières, l'équipe peut modéliser le système avec une grande précision. Cette simplicité réduit l'incertitude sur la courbure de la lumière, fournissant une « carte » plus claire du voyage effectué par la lumière pour atteindre le Large Binocular Telescope en Arizona.

Pourquoi la découverte de SN 2025wny (SN Winny) est-elle si rare ?

SN 2025wny est exceptionnellement rare car il s'agit d'une supernova superlumineuse parfaitement alignée avec une lentille gravitationnelle à un décalage vers le rouge (redshift) élevé de z = 2. La probabilité mathématique qu'une supernova soit positionnée aussi précisément derrière une lentille de premier plan pour produire cinq images distinctes est inférieure à une sur un million. Cette découverte est le résultat d'une recherche ciblée de six ans menée par le SN Winny Research Group, qui a compilé une liste de lentilles gravitationnelles prometteuses avant que l'événement ne corresponde enfin en août 2025.

Cette rareté est accentuée par la nature même de l'étoile. SN Winny est une supernova superlumineuse, ce qui signifie qu'elle est bien plus brillante que les explosions stellaires typiques. Cette luminosité extrême a permis au Large Binocular Telescope du Mount Graham de capturer des images couleur haute résolution du système, bien qu'il soit situé à 10 milliards d'années-lumière. Sherry Suyu, professeure associée de cosmologie observationnelle à la TUM et chercheuse au Max Planck Institute for Astrophysics, a souligné que cet événement constitue un jalon clé pour la cosmologie observationnelle, car seules quelques mesures de ce type ont été tentées jusqu'à présent.

Comment les délais temporels des supernovae lentillées permettent-ils de mesurer le taux d'expansion de l'univers ?

Les délais temporels dans les supernovae lentillées mesurent le taux d'expansion de l'univers car chacune des cinq images parcourt un chemin de longueur différente pour atteindre la Terre. Bien que la supernova soit un événement unique, les images n'apparaissent pas simultanément ; au lieu de cela, elles « s'allument » à des moments différents. En mesurant le délai temporel spécifique entre ces apparitions et en combinant ces données avec la masse connue des galaxies lentilles, les astronomes peuvent calculer directement la constante de Hubble sans avoir besoin de l'échelle des distances cosmiques à plusieurs étapes.

Cette approche « en une seule étape » est défendue par Stefan Taubenberger, l'auteur principal de l'étude d'identification publiée dans Astronomy & Astrophysics. Comme cette méthode repose sur une physique différente et moins d'hypothèses que les techniques précédentes, elle sert d'arbitre crucial pour la tension de Hubble. Leon Ecker et Allan Schweinfurth ont construit les premiers modèles de distribution de masse pour la lentille, confirmant que les galaxies ne sont pas encore entrées en collision, ce qui préserve la régularité des trajectoires lumineuses. C'est cette régularité qui permet de calculer avec précision la vitesse à laquelle l'espace entre les galaxies s'étire.

Quelle est l'importance des observations du Large Binocular Telescope ?

Le Large Binocular Telescope (LBT) en Arizona a joué un rôle pivot dans cette découverte en fournissant les premières images couleur haute résolution du système SN Winny. Utilisant deux miroirs de 8,4 mètres de diamètre et un système d'optique adaptative avancé, le télescope a corrigé le flou atmosphérique pour révéler les deux galaxies de premier plan aux tons chauds et les cinq copies bleutées de la supernova. Ces observations sont essentielles pour déterminer les positions exactes des images, qui sont utilisées pour calculer le potentiel gravitationnel de la lentille.

• Instrument : Large Binocular Telescope, Mount Graham, Arizona.
• Technologie : Doubles miroirs de 8,4 mètres avec optique adaptative.
• Résultats : Cinq images distinctes d'une seule supernova à un décalage vers le rouge z = 2.
• Institutions : Collaboration impliquant des chercheurs du MPE, de la LMU et de la TUM.

Implications pour l'avenir de la cosmologie

Les données de SN Winny pourraient potentiellement confirmer un écart par rapport au Modèle Standard de la Cosmologie. Si le taux d'expansion calculé à partir de cette supernova lentillée concorde avec les mesures locales plutôt qu'avec les données de l'univers primordial, cela pourrait indiquer que l'énergie noire évolue avec le temps ou qu'une nouvelle physique est nécessaire pour expliquer la croissance de l'univers. Cela forcerait un changement massif dans la façon dont les scientifiques perçoivent la « recette cosmique » de matière et d'énergie qui régit notre univers.

De plus, le succès du projet de recherche HOLISMOKES (Highly Optimised Lensing Investigations of Supernovae, Microlensing Objects, and Kinematics of Ellipticals and Spirals) prépare le terrain pour les futurs observatoires. L'Observatoire Vera C. Rubin et le Télescope spatial James Webb (JWST) devraient découvrir des centaines de supernovae lentillées au cours de la prochaine décennie. SN Winny sert de référence absolue sur la manière dont ces futures découvertes seront modélisées et analysées pour résoudre le mystère de la constante de Hubble.

Quelle est la suite pour SN Winny et la recherche cosmologique ?

Les astronomes du monde entier effectuent actuellement des observations de suivi de SN Winny à l'aide d'instruments au sol et dans l'espace. L'objectif immédiat est d'affiner les mesures de délai temporel à mesure que la supernova s'estompe, afin de garantir la plus haute précision possible pour le calcul de la constante de Hubble. Ces résultats, soutenus par le Pôle d'excellence ORIGINS et la Société Max Planck, seront probablement une pierre angulaire du débat cosmologique pour les années à venir.

Alors que la communauté scientifique attend les chiffres finalisés de l'expansion, la découverte de SN Winny prouve que les « feux d'artifice cosmiques » sont plus qu'un simple spectacle visuel ; ce sont des outils mathématiques précis. En transformant un voyage de 10 milliards d'années-lumière en une règle géométrique, les chercheurs sont plus proches que jamais de comprendre la limite de vitesse fondamentale de notre univers en expansion. La transition d'une recherche de six ans à une mesure révolutionnaire souligne la puissance de la collaboration internationale en cosmologie observationnelle.