A 11,5 milliards d’années-lumière de la Terre, l’image de la galaxie SDP.81 dessine un spectaculaire anneau d’Einstein sous l’œil de Alma. Ce mirage gravitationnel est provoqué par une galaxie d’avant-plan, située à 4 milliards d’années-lumière seulement : c’est la tache bleue au centre de l’image. Ces deux galaxies et la Terre étant parfaitement alignées, l’espace-temps courbe de la galaxie d’avant-plan dévie les rayons lumineux de la galaxie d’arrière-plan. Cette image, prise à 1 millimètre de longueur d’onde, est d’une exceptionnelle précision : elle est deux fois plus nette que ce que pourrait faire le télescope spatial Hubble. Cette image est un composite d’une photo de Hubble – la galaxie bleue d’avant-plan – et d’Alma, l’anneau d’Einstein. Photos ESO/NRAO/Nasa/STSCI.
Lentement mais sûrement, le réseau interférométrique Alma monte en puissance… L’engin international qui a coûté près de un milliard d’euros à l’Europe, aux États-Unis, au Japon, et aussi dans une moindre mesure à Taïwan, au Canada, au Chili, est toujours en phase de tests aujourd’hui, la mise en réseau de ses soixante six antennes de 7 à 12 mètres de diamètre s’avérant un challenge technique très difficile, sinon impossible, à relever…
Avec Alma (Atacama Large Millimeter array), le rêve des astronomes, c’était de disposer d’un télescope virtuel géant, dépassant de très loin les instruments de la génération précédente. Le pari est presque gagné aujourd’hui : cet interféromètre compte effectivement soixante six antennes, qui sont reliées spatialement par fibre optique et temporellement par une horloge atomique. Un super ordinateur, appelé corrélateur, met en phase les images du ciel obtenues par chaque antenne. Le but ? Faire « comme si » les antennes représentaient des segments d’un seul miroir géant… Et quel miroir… En fonction de la configuration choisie, les antennes étant mobiles, les astronomes peuvent utiliser un télescope virtuel de quelques centaines de mètres ou quelques kilomètres de diamètre. Dans les domaines de longueur d’onde auxquels est sensible Alma, la promesse est vertigineuse. L’instrument, à pleine puissance, pourrait offrir des images bien plus précises que celles que produit le télescope spatial Hubble…

Alma est l’un des plus puissants télescopes jamais construits. Comptant en tout soixante six antennes de 7 m et 12 m de diamètre, il promet une moisson scientifique exceptionnelle, quand l’engin, difficile à mettre au point, sera pleinement opérationnel. Photo B.Tafreshi/ESO.
Seul bémol, quatre ans après ses toutes premières images, Alma n’est toujours pas opérationnel : seules une trentaine, au mieux, de ses antennes de 12 m peuvent être connectées simultanément. Et rien n’indique aujourd’hui que les ingénieurs parviendront à corréler la cinquantaine d’antennes, ni, a fortiori, les soixante six antennes du réseau complet.
Alma est conçu pour observer les rayonnements submillimétrique et millimétrique, entre 0,3 et 9,6 mm, c’est à dire des longueurs d’onde plus grandes que l’infrarouge. Pour fixer les idées, l’œil humain est sensible entre 0,4 et 0,7 micromètre, et les télescopes optiques, comme le télescope spatial Hubble, par exemple, entre 0,3 et 2 micromètres environ. C’est le domaine spectral dans lequel Alma prend ses images, qui rend celles-ci si nouvelles, si surprenantes : leur qualité, leur précision sont telles qu’on croirait ces photographies prises avec un télescope optique… Il n’en est rien, la longueur d’onde observée par Alma est mille fois plus grande que la lumière à laquelle nous sommes sensibles ! Et Alma, dans ces grandes longueurs d’onde, perce généralement des nuées de gaz et de poussières totalement opaques pour les télescopes classiques.

Régulièrement, Alma livre des images du ciel jamais vues, d’une stupéfiante nouveauté. Ce télescope virtuel observe un rayonnement de très grande longueur d’onde, révélant des astres souvent invisibles, ou difficiles à observer, pour les télescopes classiques. La qualité exceptionnelle de ses images fait le reste… Ces trois images – à gauche le système planétaire naissant HL Tauri, au centre le gaz soufflé par l’étoile géante R Sculptoris, à droite l’anneau d’Einstein SDP.81 – sont deux fois plus nettes que ce que pourraient obtenir les meilleurs télescopes du monde, sur Terre, ou Hubble, dans l’espace. Photos ESO/NRAO.
Ces deux dernières années, Alma a permis de réaliser quelques exploits techniques, révélant avec un luxe de détails sans précédent des astres invisibles ou presque avec des télescopes traditionnels. Des images jamais vues…
Enfin, voici quelques mois, Alma a été testé dans sa configuration la plus extrême, c’est à dire celle où ses antennes, très éloignées les unes des autres, dessinent un « miroir » virtuel de 15 kilomètres de diamètre… C’est dans cette configuration que le télescope peut offrir sa meilleure résolution, c’est à dire ses images les plus nettes.
La cible de ce test ? La galaxie SDP.81, située à 11,5 milliards d’années-lumière. Cette galaxie avait été découverte en 2010 par le télescope spatial infrarouge européen Herschel. Elle était devenue ensuite un objet de convoitise pour les astronomes car, malgré sa distance énorme, elle est relativement brillante et donc facile à observer. Jusqu’à ce que les chercheurs comprennent pourquoi : SDP.81 est un mirage gravitationnel. Exactement alignée sur une galaxie située en avant plan, à seulement quatre milliards d’années-lumière, son image est agrandie et amplifiée par cette galaxie qui joue le rôle de lentille gravitationnelle : sa masse est telle qu’elle courbe l’espace autour d’elle, déviant et concentrant les rayons lumineux qui passent dans son champ, telle une lentille de verre grossièrement taillée…

La lointaine galaxie SDP.81 a été découverte par le télescope spatial infrarouge Herschel, puis étudiée par le réseau submillimétrique SMA. L’image prise par Alma montre de façon spectaculaire la puissance de ce nouvel instrument astronomique. Photos ESA/ESO/NRAO.
Distante et minuscule, la galaxie SDP.81 n’apparaît que comme une petite tache sur les images infrarouges du télescope spatial Herschel. Pour tenter de mettre en évidence les effets de mirages provoqués par la galaxie lentille d’avant-plan, les astronomes ont utilisé le réseau interférométrique SMA (Submillimeter Array) installé sous le sommet du volcan Mauna Kea, à Hawaï. L’instrument, qui compte huit antennes de six mètres de diamètre, a alors révélé que l’image de la galaxie était en réalité multiple, comme dessinée par de petits arcs flous, chaque arc étant une image déformée de la galaxie…
Alma a complètement révolutionné notre connaissance de cet astre extraordinairement lointain. Sa très haute résolution – sa capacité à discerner de fins détails, donc – a permis d’offrir une image incroyablement précise de SDP.81. Il s’agit d’un « anneau d’Einstein », c’est à dire une figure gravitationnelle quasi parfaite dessinée par la galaxie d’avant-plan. La qualité de l’image donnée par Alma est impressionnante : les astronomes disent que sa résolution atteint 0,023 seconde d’arc. C’est, pour fixer les idées, environ deux fois mieux que le télescope spatial Hubble. Un angle de 0,023 seconde d’arc représente 40 mètres à la distance de la Lune.
Mais Alma n’a pas tout fait tout seul, car une lentille gravitationnelle est un véritable télescope naturel : Dans le cas de SDP.81, le grossissement offert par la lentille approche dix fois ! Du coup, même si l’image est déformée par la lentille gravitationnelle évidemment imparfaite, les détails les plus petits que les chercheurs peuvent détecter dans la galaxie avoisinent 500 années-lumière : à la distance de 11,5 milliards d’années-lumière, c’est remarquable !
Les chercheurs vont s’attacher désormais à reconstruire l’image de la galaxie telle qu’elle est, non déformée par la lentille gravitationnelle. Ils vont aussi analyser minutieusement sa lumière, pour détecter quels gaz, quelles poussières interstellaires, existaient déjà à l’époque dans l’Univers, et quel était, deux milliards d’années après le big bang, le taux de formation d’étoiles dans cette galaxie de l’aube du monde.
Serge Brunier