|
|
|
La théorie de la Relativité La relativité générale : des exemples concrets Les lentilles gravitationnelles (IV) Fritz Zwicky[29] avait prédit en 1937 que les galaxies pouvaient provoquer des effets gravitationnels sur la lumière des sources qu'elles venaient à occulter. Il appliquait les lois de la relativité générale énoncées par Einstein[30]. Situées bien souvent à la limite de la résolution des instruments professionnels, les lentilles gravitationnelles offrent une chance aux astronomes de préciser les paramètres fondamentaux réglant l'évolution de l'univers. 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 d'un axe central. Ces images multiples sont en tous points en parfaites corrélations, offrant entre elles un même décalage spectral, le même dédoublement des raies, les mêmes courbes de luminosité, etc, au facteur d'intensité près. Cela confirme l'existence d'une masse sombre déformante quelque part au centre du champ, entre l'objet et la Terre.
On peut imaginer le phénomène optique qu'elle provoque en essayant de déformer une pastille sombre en l'observant très près du foyer d'une lentille simple[31]. On observe alors tout autour du centre une ou plusieurs images secondaires déformées en forme d'ellipse, de haricot ou d'arc de cercle. Ces objets sont pour la plupart associés à des amas de galaxies éloignés ou des galaxies très pâles, dont les étoiles massives provoquent des "mirages gravitationnels". Mais il se peut aussi que l'objet sombre soit une galaxie massive située à l'avant-plan voire un trou noir. Ainsi que le stipule la théorie de la relativité, la déviation de la lumière (/font>b) obéit à la relation suivante :
avec 2GM/c², le rayon de Schwarzschild r , le paramètre d'impact ou le rayon projeté à partir du centre de masse de la lentille Dans l’environnement du Soleil, l’effet relativiste est très faible, de l’ordre de 10-5, mais il est déjà cent fois plus important pour les naines blanches. Il faut donc chercher des étoiles ou des systèmes supermassifs, un milliard de fois plus massif que le Soleil pour que les effets relativistes soient significatifs. En 1935, Einstein avait déjà prédit que si une galaxie se situait juste derrière un point massif, elle se présenterait sous la forme d'un anneau, dont le rayon exprimé en seconde d'arc vaudrait :
avec M, la masse de la lentille gravitationnelle déflectrice DLS , la distance lentille-source DL , la distance observateur-lentille DS , la distance observateur-source Si la lentille gravitationnelle est elliptique ou non circulaire symétriquement, la symétrie de l'anneau sera brisée en deux ou plusieurs arcs. C'est pourquoi jusqu'à présent peu d'"anneaux d'Einstein" ont été découverts. Ces effets sont néanmoins importants. Pour une galaxie de 1012 Ms, les images multiples sont séparées d'environ 3". Pour des amas de galaxies de 1014 Ms, la séparation peut dépasser la minute d'arc.
Découverte des lentilles gravitationnelles Les premières lentilles gravitationnelles furent découvertes en 1979. L'astronome anglais D.Walsch[32] 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 Z = 1.407. Walsh supposa qu'il s'agissait de l'image dédoublée d'un quasar unique. Quelques mois après, alors que le quasar était trop proche du Soleil pour l'observer en visible, l'observatoire radioastronomique VLA du Nouveau-Mexique pris la relève. Sa résolution atteignit moins de 1". L’analyse de l’image double indiqua que le point de coordonnées s'entourait effectivement de deux sources d'émission, chacune ayant un rapport de flux identique aux émissions optiques. L'une des images présentait une extension invisible sur l'autre mais les astronomes attribuèrent cette différente au fait que les jets radios de l'image B étaient plus éloignés de la galaxie déflectrice que ceux de l'image A. En revanche, les astronomes ne parvenaient pas à localiser la source de ce mirage. Il fallut beaucoup de patience, mais fin novembre 1979 les astronomes du mont Palomar et de Mauna Kea localisèrent une petite galaxie elliptique à Z = 0.36. Très éloignée et très pâle, cette galaxie appartenait à un amas de galaxies dont le champ gravitationnel global pouvait modifier la disposition des images du quasar. Si on met de côté l'effet gravitationnel du Soleil sur le rayonnement des astres, cette lentille gravitationnelle est la plus brillante du ciel. Elle se situe dans la Grande Ourse. La "Croix d'Einstein" Beaucoup plus spectaculaire, en 1984 John Huchra du Centre d'Astrophysique de Harvard photographia en haute résolution le noyau de la galaxie spirale Zwicky 2237+0305. Malgré sa ressemblance avec une galaxie ordinaire, son spectre indiquait qu'elle se situait dans le domaine des quasars (Z = 1.7). Grâce au télescope Franco-canadien de l'île d'Hawaii (CFHT de 3.60m) Howard Yec parvint à résoudre son noyau en 5 condensations très serrées, dénommées depuis la "Croix d'Einstein". Les cinq composantes révélant un spectre identique, il s'agissait bien d'une lentille gravitationnelle reproduisant l'image d'un quasar très éloigné.
On découvrit également que l'une des condensations fluctuait isolément. Pour expliquer ce phénomène, les astrophysiciens ont suggéré l'existence de lentilles gravitationnelles secondaires dans le halo de la galaxie, probablement des étoiles très massives qui sont intercalées dans le faisceau lumineux que nous recevons du quasar. Cet effet est appelé le "microlensing". C.Vanderriest et son équipe de l'Observatoire de Paris ont également observé de telles variations lumineuses dans la première lentille gravitationnelle[33]. Autres importantes découvertes Depuis de nombreux candidats ont été observés, dont "le trèfle à quatre feuilles", H1413+117 découvert par le satellite rayons X Chandra. Il s'agit d'un quasar formé de 4 images dont la séparation des composants est d'environ 0.9" (voir ci-dessous à gauche). Le quasar présente un décalage Doppler z=2.57 et se situe à 11 milliards d'années-lumière. En 1988, les radioastronomes du VLA ont découvert une lentille gravitationnelle en forme d'anneau, MG 1131+0456, conforme à la théorie. Cet objet fut baptisé "l'anneau d'Einstein" en sa mémoire. Il s'agit probablement de l'image d'un quasar déformée par une galaxie naine invisible située à l'avant-plan. Dans le cas contraire, les physiciens devront expliquer la réalité de sa forme. La lentille gravitationnelle PG 1115+080 découverte par le HST en 1998 et située dans une galaxie elliptique présente une forme similaire (voir ci-dessous à droite).
Grâce au ciel exceptionnel de l'île d'Hawaii, de nombreux objets ont révélé des structures en forme d'arc. La plus surprenante s'étend à travers l'amas Abell 370 sur plus de 30". De magnitude +22, sa signature spectrale requit 6 heures de pose ! Cet amas présente un redshift Z=0.375 (voir ci-dessous). Enfin, en 2003 une équipe internationale d'astronomes découvrit des lentilles gravitationnelles dans l'amas de galaxies SDSS J1004+4112. La découverte fut confirmée en mai 2006 grâce au Télescope Spatial Hubble, battant le précédent record. Situé dans le Petit Lion à Z = 0.68 soit 7 milliards d'années-lumière, cet amas de galaxies contient les images de 5 lentilles gravitationnelles. Elles reproduisent à l'identique, au facteur de déformation près, l'image du quasar Q0157-001 situé 3 milliards d'années-lumière derrière l'amas (à Z = 1.734 soit plus de 10 milliards d'années-lumière du système solaire). La séparation angulaire maximale entre les composantes est de 14.62". Selon les auteurs de la découverte (Cf. "Nature", décembre 2003), une si grande séparation angulaire signifie que l'effet de lentille doit être dominé par une forme de matière sombre. La photographie présentée ci-dessous à droite contient également trois autres lentilles gravitationnelles isolées. Les analyses spectrales effectuées au télescope Keck I de 10 m sur les 5 lentilles gravitationnelles ont confirmé que les 5 spectres étaient identiques.
L'enjeu offert par les lentilles gravitationnelles est très important. Tout d'abord le fait que la déviation des rayons lumineux confirme la théorie de la relativité générale. Ensuite, l'étude des lentilles gravitationnelles permet aux astrophysiciens relativistes d'évaluer la distribution de matière dans l'univers et de calculer sa masse. Si de telles observations se répètent, il sera possible de déterminer la courbure de l'univers et de fixer avec précision la constante de Hubble. D'ores et déjà C.Vanderriest a fixé une limite supérieure, H < 175 km/s/Mpc. L'avenir permettra certainement de réduire cette incertitude. Les propriétés étranges de certains amas de galaxies, dont les composantes n'ont pas toutes le même redshift pourraient également s'expliquer par des effets de mirages gravitationnels. Enfin, les lentilles gravitationnelles pourraient agir comme de véritables loupes devant le fond de l'univers. Selon l'astronome Daniel Weedman de l'Université de Pennsylvanie qui découvrit G2345+007, la troisième lentille gravitationnelle en 1982, les images très brillantes de certains quasars très éloignés doivent peut-être leur éclat à un effet d'optique qui "grossirait" leur luminosité. Mais ce phénomène doit être très rare car il faut tenir compte d'un double alignement : celui du quasar avec une lentille gravitationnelle, l'ensemble devant se situer exactement dans l'axe de la Terre. Ceci dit, certaines observations ne s'expliquent pas par l'effet d'une lentille gravitationnelle. Les "champs binaires" en particulier, sont des galaxies multiples (entre une et 7 paires) rassemblées dans un champ très étroit dont les images secondaires n'obéissent pas au modèle de la lentille gravitationnelle. En 1987, Esther Hu et Len Cowie de l'Université d'Hawaii ont ainsi découvert plusieurs exemples de ce type et pensent que ces images secondaires seraient générées par des cordes cosmiques, ces résidus massifs issus du Big Bang. A l'heure actuelle aucune autre explication ne peut expliquer la forme particulière de ces couples de galaxies. Prochain chapitre
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
