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Anneau ou croix d'Einstein

Formes particulières de mirages gravitationnels

   Catégorie : galaxies
Mise à jour 19 mai 2013

Une galaxie peut se cacher parfaitement derrière une autre galaxie et paradoxalement elle devient alors beaucoup plus visible.
Un objet massif, une galaxie par exemple, qui se situe entre un observateur et une source lumineuse lointaine, une autre galaxie, imprime une forte courbure à l'espace-temps. Cela a pour effet de dévier tous les rayons lumineux qui passent près de l'objet, déformant ainsi les images reçues par l'observateur. Cette illusion que les astronomes connaissent bien est appelée lentille gravitationnelle ou mirage gravitationnel.
Lorsque les galaxies sont parfaitement alignées par rapport à l'observateur, le télescope hubble par exemple, on assiste alors à un cas particulier de mirage gravitationnel appelé l'anneau d'Einstein. Si une troisième galaxie lointaine se trouve elle aussi alignée et à une distance particulière avec les deux premières, alors on assiste à la formation d'un deuxième anneaux d'Einstein, un anneau concentrique plus grand que le premier.
Cette amplification de la luminosité, d’un objet céleste lointain, par un astre massif situé devant, a été prédit par la théorie générale de la relativité en 1917. Les objets massifs modifient la géométrie de l'espace et du temps dans leur voisinage. La lumière quant à elle emprunte toujours le chemin le plus court, mais dans un espace courbe modifié par la présence d'une masse gigantesque, le chemin le plus court n'est pas la ligne droite. Le trajet des rayons lumineux se courbe au voisinage des astres massifs, les rayons peuvent prendre la forme d'un anneau lumineux, entourant l'objet proche. Sur cette image la galaxie du premier plan apparait en jaune et la galaxie observée derrière apparait en bleu. Cette spectaculaire photo de l'objet LGR 3-757 a été découverte en 2007 sur des images du programme SDSS (Sloan Digital Sky Survey).
Les objets massifs qui peuvent jouer le rôle de lentille gravitationnelle ou de déflecteur sont les galaxies, les trous noirs et les amas de galaxies. Une étoile, bien qu'ayant une masse très inférieure à celle d'une galaxie, peut aussi agir comme une lentille gravitationnelle sur un objet situé à une certaine distance derrière elle. L'effet est évidemment beaucoup moins puissant, on parle alors de micro lentille gravitationnelle. Le rayon d'Einstein est le rayon d'un anneau d'Einstein.

nota : La première observation d'un anneau d'Einstein date de 1987, elle a été réalisée par des scientifiques du MIT, dirigés par Jacqueline Hewitt (Professeur de physique). Il s'agissait de l'objet MG1131 + 0456. L'article est paru dans Nature 333, du 9 juin 1988.
L'équipe parle de leur découverte ainsi : nous rapportons la découverte d'une structure extrêmement rare dans la source radio MG1131 + 0456. Dans une carte radio l'objet apparait comme un anneau elliptique d'émission, accompagné d'une paire de sources plus compactes, presque diamétralement opposées et décalées ~ 0,3 arc au sud-ouest de l'anneau. La morphologie de cette source radio suggère qu'elle peut être un exemple d'anneau d'Einstein, un cas très particulier de lentille gravitationnelle dans lequel la source est imagée dans un anneau.

 

Image : Ce cas particulier de mirage gravitationnel montre un anneau presque complet d'étranges objets bleus étirés, qui s'étalent en cercle mais qui ne sont que des vues multiples d’une seule et même galaxie.
La gravité de la galaxie rouge lumineuse (LRG 3-757) a déformé la lumière d'une galaxie bleue beaucoup plus lointaine située derrière. C'est grâce à l'alignement presque parfait de la galaxie d'arrière plan et de la galaxie de premier plan que le télescope hubble a pu photographier un cercle. Ces anneaux sont appelés les anneaux d'Einstein. Crédit : domaine public.

Une autre forme particulière de mirage gravitationnel, est la croix d'Einstein. La croix d'Einstein correspond à 4 images du même objet qui apparaissent autour d'une galaxie de premier plan, grâce à une puissante lentille gravitationnelle. En réalité, cette structure formée par cinq points, le point central et les quatre autres points, sont les images d'une galaxie qui casse la lumière d'un seul objet lointain (ici un quasar) situé derrière en quatre points distincts en forme de croix. La Croix d'Einstein est un des meilleurs exemples de phénomène de lentille gravitationnelle qui confirme visuellement la théorie de la relativité générale.

Image : image remarquable de la galaxie connue sous le nom de UZC J224030.2 032131 prise par le télescope Hubble (NASA / ESA).  Le noyau de la galaxie est l'objet faible et diffus situé au centre de la structure en forme de croix. La puissante gravité de la galaxie agit comme une lentille qui courbe et amplifie la lumière du quasar derrière elle, produisant une quadruple image de l'objet lointain. Le quasar est situé à 11 milliards d'années-lumière de nous dans la direction de la constellation de Pégase, il est vu comme il était il y a environ 11 milliards d'années. La galaxie est à environ 1 milliard d'années. L'alignement entre les deux objets est remarquable (0,05 secondes d'arc), ce qui explique en partie la raison pour laquelle une telle structure visuelle peut être observée. Cette image est probablement l'image la plus nette jamais faite de la Croix d'Einstein, elle a été produite par la caméra à champ large de Hubble.

Parfois les lentilles gravitationnelles exposent un feu d'artifice de lumière qui ne sont que les projections multiples des mêmes objets. L'analyse de cette image montre qu’il y a au moins 33 projections de lumière qui correspondent à seulement 11 galaxies réelles.

Image : Cette lentille gravitationnelle montre d'étranges objets bleus étirés. Ces objets cosmiques qui s'étalent en cercle sur cette image, ne sont que des vues multiples d’une seule et même galaxie annulaire. La forme singulière de la galaxie bleue d’arrière plan (au centre de l'amas), a permis de déduire que c'est la même galaxie que nous voyons sur cette image à 4 heures, 10 heures, 11 heures et 12 heures. Cette spectaculaire photo de l’amas galactique CL0024+1654 a été prise par le télescope spatial Hubble en novembre 2004.

 Anneau d'Einstein

Image : Anneau d'Einstein.
 

Croix d'Einstein

Image : Croix d'Einstein.
 

Lentille gravitationnelle

Image : Lentille gravitationnelle.

Un quasar, quasi-stellar astronomical radiosource ou source de rayonnement quasi-stellaire, est une galaxie dont le noyau est très énergétique. Les quasars sont les objets les plus lumineux de l'univers. Plus précisément, le quasar est la région entourant un trou noir supermassif situé au centre d'une galaxie massive. Les quasars permettent de mesurer le temps de rotation de la Terre ou le jour solaire avec une grande précision. Il est plus juste de dire "théorie générale de la relativité" que "théorie de la relativité générale", c'est la théorie qui est générale et non la relativité. La théorie générale étend la théorie restreinte de la relativité, à la gravitation.
Pour les puristes, la théorie générale de la relativité est une théorie relativiste de la gravitation élaborée entre 1907 et 1915 principalement par Albert Einstein. Marcel Grossmann et David Hilbert sont également associés à cette réalisation pour avoir aidé Einstein à franchir les difficultés mathématiques de la théorie. La théorie générale de la relativité énonce que la gravitation est la manifestation de la courbure de l'espace-temps, produite par la distribution de la matière et de l'énergie. La mesure de la courbure moyenne de l'espace-temps est égale à la mesure de la densité d'énergie (Gij = χ Tij) Gij est le tenseur d'Einstein qui représente la courbure de l'espace-temps en un point, Tij est le tenseur énergie-impulsion qui représente la contribution de toute la matière et énergie à la densité d'énergie en ce point du champ gravitationnel. χ est un simple facteur dimensionnel, permettant d'exprimer l'équation dans les unités usuelles et de faire correspondre l'équation à la réalité physique et à la valeur observée de la constante gravitationnelle.

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