Lentille gravitationnelle
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Principe de la déviation des rayons lumineux.
Principe de la déviation des rayons lumineux.

Les lentilles gravitationnelles déforment l'image que l'on reçoit d'un objet astronomique comme une galaxie.

Origine de la déformation

Un astre massif (Le mot massif peut être employé comme :), tel qu'une étoile (Une étoile est un objet céleste émettant de la lumière de façon autonome, semblable à une énorme boule de plasma comme le Soleil, qui est...), un trou noir (En astrophysique, un trou noir est un objet massif dont le champ gravitationnel est si intense qu’il empêche toute forme de matière ou...) ou une galaxie (Galaxies est une revue française trimestrielle consacrée à la science-fiction. Avec ce titre elle a connu deux existences, prenant par ailleurs la suite de deux autres Galaxie, cette...), courbe (En géométrie, le mot courbe, ou ligne courbe désigne certains sous-ensembles du plan, de l'espace usuels. Par exemple, les droites, les segments, les lignes polygonales et les cercles sont...) la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à...).

En observant certaines galaxies ou certains quasars, on assiste quelquefois à de curieux effets optiques : leur image est dédoublée, triplée ou même quintuplée à quelques secondes d'arc de distance ou prennent la forme d'arcs incurvés autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter,...) d'un axe central. Ces images multiples sont en tous points en parfaites corrélations. D'après la relativité générale (La relativité générale, fondée sur le principe de covariance générale qui étend le principe de relativité aux référentiels non-inertiels, est une théorie...), une distribution de masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à...), par exemple le Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification astronomique,...), dévie les rayons lumineux qui passent à proximité. Cela confirme l'existence d'une masse sombre déformante quelque part au centre du champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:), entre l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être désigné par une étiquette verbale. Il est défini par les...) et la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse...).

Simulation de lentille gravitationnelle. Voici ce que nous verrions si un trou noir se trouvait entre nous et une galaxie.
Simulation de lentille gravitationnelle (Les lentilles gravitationnelles déforment l'image que l'on reçoit d'un objet astronomique comme une galaxie.). Voici ce que nous verrions si un trou noir se trouvait entre nous et une galaxie (Une galaxie est, en cosmologie, un assemblage d'étoiles, de gaz, de poussières et de matière noire et contenant parfois un trou noir supermassif en son centre.).

Imaginons que, par hasard (Dans le langage ordinaire, le mot hasard est utilisé pour exprimer un manque efficient, sinon de causes, au moins d'une reconnaissance de cause à effet d'un événement.), une galaxie proche et un quasar (En astronomie, un quasar (pour source de rayonnement quasi-stellaire, quasi-stellar en anglais) est une source d'énergie électromagnétique, incluant la...) lointain se trouvent alignés sur une même ligne de visée, c'est-à-dire exactement dans la même direction du ciel (Le ciel est l'atmosphère de la Terre telle qu'elle est vue depuis le sol de la planète.). La lumière qui nous provient du quasar est alors fortement déviée lors de son passage près de la galaxie. Ainsi par exemple, les rayons lumineux qui passent légèrement au-dessus de la galaxie sont déviés vers le bas et donnent lieu à une image du quasar décalée vers le haut. Par contre, les rayons lumineux qui passent sous la galaxie sont déviés vers le haut et donnent naissance à une image du quasar décalée vers le bas. De cette façon, la galaxie proche, en perturbant la propagation de la lumière du quasar, donne naissance à plusieurs images de celui-ci. Le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) total ( Total est la qualité de ce qui est complet, sans exception. D'un point de vue comptable, un total est le résultat d'une addition, c'est-à-dire une somme....) d'images est déterminé par la forme de la galaxie et la précision de l'alignement. Parfois, lorsque l'alignement entre les deux objets est parfait, l'image de l'objet lointain peut être modifiée au point (Graphie) de prendre la forme d'un anneau lumineux entourant l'image de l'objet proche.

En plus de multiplier les images du quasar, la galaxie va également concentrer la lumière de celui-ci et donc produire des images bien plus brillantes. Un effet qui est loin d'être négligeable lorsque l'on observe des corps très peu lumineux.

Historique

Certains des arcs lumineux les plus faibles de cette image sont en fait des galaxies situé à un peu plus de 13 milliards d'années-lumière, déformées par l'effet de lentille gravitationnelle.
Certains des arcs lumineux les plus faibles de cette image sont en fait des galaxies situé à un peu plus de 13 milliards d'années-lumière, déformées par l'effet de lentille gravitationnelle.

Fritz Zwicky avait prédit en 1937 que les galaxies pouvaient provoquer des effets gravitationnels sur la lumière des sources qu'elles venaient à occulter. Il appliquait ainsi les lois de la relativité générale énoncées par Einstein.

Mais il fallut attendre 1979 pour que le premier exemple réel soit observé. L'astronome (Un astronome est un scientifique spécialisé dans l'étude de l'astronomie.) britannique Dennis Walsh et ses collaborateurs du Kitt Peak caressaient le désir obscur d'identifier optiquement des radiosources. Le 29 mars ils observèrent deux images d'un quasar baptisé Q0957+561A-B. Les deux objets séparés de 6" étaient de magnitude 17,5 et présentaient rigoureusement le même spectre, avec un décalage vers le rouge (Le décalage vers le rouge ou redshift est un phénomène astronomique de décalage vers les grandes longueurs d'onde des raies spectrales et de l'ensemble du spectre – ce qui se traduit par un décalage vers le rouge pour le...) de 1,407. Walsh supposa qu'il s'agissait de l'image dédoublée d'un quasar unique. Des observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête...) ultérieures le confirmèrent et montrèrent que la lentille gravitationnelle était dans ce cas constituée par une galaxie elliptique géante (Une étoile géante est une étoile de classe de luminosité II ou III. Dans le diagramme de Hertzsprung-Russell, les géantes forment deux branches au-dessus de la séquence...) quatre fois plus proche de nous que le quasar. Depuis cette époque, des dizaines d'images multiples de quasars ont été découvertes, avec deux, trois ou quatre composantes.

En 1988, les radioastronomes du VLA ont découvert une lentille gravitationnelle en forme d'anneau, MG 1131+0456, conforme à la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance spéculative,...). Cet objet fut baptisé " l'Anneau d (L'anneau D est un anneau planétaire situé autour de Saturne, le plus interne des anneaux de cette planète.)'Einstein " en sa mémoire (D'une manière générale, la mémoire est le stockage de l'information. C'est aussi le souvenir d'une information.). Il s'agit probablement de l'image d'un quasar déformée par une galaxie naine (Une galaxie naine est une petite galaxie composée de l'ordre de 10 milliards d'étoiles, un nombre relativement faible par rapport aux 100 milliards d'étoiles de notre galaxie, la Voie lactée.) invisible située à l'avant-plan. Dans le cas contraire, les physiciens devront expliquer la réalité de sa forme.

En 1995, par exemple, le télescope spatial Hubble (Le télescope spatial Hubble (en anglais, Hubble Space Telescope ou HST) est un télescope en orbite à environ 600 kilomètres d'altitude, il effectue un tour complet de la Terre toutes les 100 minutes. Il est nommé en l'honneur de l'astronome...) révéla l'exemple très impressionnant de l'amas de galaxies (Un amas de galaxies est l'association de plus d'une centaine de galaxies liées entre elles par la gravitation. En deçà de 100, on parle plutôt de groupe de galaxies,...) Abel 2218 qui produit des images multiples de toute une population de galaxies lointaines et donne naissance à plus de 120 arcs lumineux.

Constante de Hubble (Le télescope spatial Hubble (en anglais, Hubble Space Telescope ou HST) est un télescope en orbite à environ 600 kilomètres d'altitude, il effectue un tour complet de la Terre toutes les 100 minutes. Il est nommé en...)

L'étude des lentilles gravitationnelles permet aux astrophysiciens relativistes d'évaluer la distribution de matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La matière occupe de...) dans l'univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.) et de calculer sa masse. Si de tels observations se répètent, il sera possible de déterminer la courbure (Intuitivement, courbe s'oppose à droit : la courbure d'un objet géométrique est une mesure quantitative du caractère « plus ou moins courbé » de cet objet. Par exemple :) de l'univers et de fixer avec précision la constante de Hubble.

Croix d'Einstein: Effet de mirage gravitationnel pris par le télescope spatial Hubble
Croix d'Einstein: Effet de mirage gravitationnel (Les lentilles gravitationnelles déforment l'image que l'on reçoit d'un objet astronomique comme une galaxie.) pris par le télescope spatial (Un télescope spatial est un télescope placé au delà de l'atmosphère. Le télescope spatial présente l'avantage par rapport à son homologue terrestre de ne pas être perturbé par...) Hubble

Les rayons lumineux qui contournent la lentille par différents côtés suivent des trajectoires qui ne sont pas identiques et n'ont généralement pas la même longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa longueur est celle de l’objet complètement...). Ainsi, le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) mis par la lumière pour nous atteindre diffère selon l'image que nous observons. Pour cette raison, si le quasar subit une brusque variation de luminosité (La luminosité désigne la caractéristique de ce qui émet ou réfléchit la lumière.), ses différentes images ne répercutent pas le changement de façon simultanée, mais à des moments bien distincts dans le temps.

C'est la mesure de ce type de décalage qui peut nous conduire à la constante de Hubble. L'analyse du phénomène montre en effet que le délai (Un délai est d'après le Wiktionnaire, « un temps accordé pour faire une chose, ou à l’expiration duquel on sera tenu de faire une certaine chose....) entre le changement de luminosité des différentes images est inversement proportionnel à H0 et dépend très peu des autres paramètres cosmologiques. S'il était possible de mesurer un tel délai, nous pourrions donc remonter à H0 et obtenir une évaluation indépendante de cette constante.

D'ores (ORES, l'Opérateur des Réseaux Gaz & Électricité est le l'opérateur des réseaux de distribution d'électricité et...) et déjà C. Vanderriest a fixé une limite supérieure, H < 175 km/s/Mpc. L'avenir permettra certainement de réduire cette incertitude

Mirage gravitationnel

Si la déformation (courbure) est suffisamment forte, plusieurs images du même objet peuvent alors se former, c'est ce que l'on nomme un " mirage gravitationnel ". On peut aussi assister à un effet de lentille, qui peut augmenter la luminosité apparente de l'objet, déformer son image, etc.

Le temps de parcours des trajets de lumière dans le cas d'images multiples peut être différent.

Anneau d'Einstein

Différents Anneaux d'Einstein partiels pris par le télescope spatial Hubble
Différents Anneaux d'Einstein partiels pris par le télescope (Un télescope, (du grec tele signifiant « loin » et skopein signifiant « regarder, voir »), est un instrument d'optique permettant d'augmenter la luminosité ainsi que la taille apparente des objets...) spatial Hubble

En cas d’alignement parfait de la source observée (telle qu’une étoile), de l’objet stellaire (Stellaria est un genre de plantes herbacées annuelles ou vivaces, les stellaires, de la famille des Caryophyllaceae. Il comprend près de 90 espèces réparties à...), jouant le rôle de lentille gravitationnelle - appelé également déflecteur - (tel qu'un trou noir) et de l'observateur, on ne verra plus l’étoile comme telle mais plutôt comme un anneau nommé anneau d’Einstein. Il se note: θE

Calcul de l'anneau d'Einstein

La taille d'un anneau d'einstein est donnée (Dans les technologies de l'information, une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction, d'un événement, etc.) par le rayon d'Einstein. Le voici en radians :

\theta_E = \left(\frac{4GM}{c^2}\;\frac{d_{LS}}{d_L d_S}\right)^{1/2},
G étant la constante gravitationnelle,
M étant la masse de la lentille,
c étant la vitesse de la lumière (La vitesse de la lumière dans le vide, notée c (pour « célérité », la lumière se manifestant macroscopiquement comme un phénomène ondulatoire), est une constante physique, et donc...),
dL étant distance de l'observateur jusqu'à la lentille,
dS étant la distance de l'observateur jusqu'à la source
dLS étant distance entre la lentille et sa source
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