Lentille gravitationnelle - Gravitational lens

Une source lumineuse passe derrière une lentille gravitationnelle (masse ponctuelle placée au centre de l'image). Le cercle aquatique est la source lumineuse telle qu'elle serait vue s'il n'y avait pas de lentille, tandis que les taches blanches sont les images multiples de la source (voir anneau d'Einstein ).

Une lentille gravitationnelle est une distribution de matière (comme un amas de galaxies ) entre une source lumineuse distante et un observateur, qui est capable de courber la lumière de la source lorsque la lumière se déplace vers l'observateur. Cet effet est connu comme effet de lentille gravitationnelle , et la quantité de flexion est l' une des prédictions d' Albert Einstein de la théorie de la relativité générale . ( La physique classique prédit également la courbure de la lumière, mais seulement la moitié de celle prédite par la relativité générale.)

Bien qu'Einstein ait fait des calculs inédits sur le sujet en 1912, Orest Khvolson (1924) et Frantisek Link (1936) sont généralement considérés comme les premiers à discuter de l'effet sur papier. Cependant, cet effet est plus communément associé à Einstein, qui a publié un article sur le sujet en 1936.

Fritz Zwicky a postulé en 1937 que l'effet pourrait permettre aux amas de galaxies d'agir comme des lentilles gravitationnelles. Ce n'est qu'en 1979 que cet effet a été confirmé par l'observation du Twin QSO SBS 0957+561.

La description

Lentille gravitationnelle – la galaxie intermédiaire modifie l'apparence d'une galaxie loin derrière elle (vidéo ; concept de l'artiste).
Cette image schématique montre comment la lumière d'une galaxie lointaine est déformée par les effets gravitationnels d'une galaxie de premier plan, qui agit comme une lentille et fait apparaître la source distante déformée, mais agrandie, formant des anneaux de lumière caractéristiques, appelés anneaux d'Einstein.
Une analyse de la distorsion de SDP.81 causée par cet effet a révélé des amas de matière en formation d'étoiles.

Contrairement à une lentille optique , une lentille gravitationnelle ponctuelle produit une déviation maximale de la lumière qui passe le plus près de son centre et une déviation minimale de la lumière qui se déplace le plus loin de son centre. Par conséquent, une lentille gravitationnelle n'a pas de foyer unique , mais une ligne focale. Le terme "lentille" dans le contexte de la déviation de la lumière gravitationnelle a été utilisé pour la première fois par OJ Lodge, qui a fait remarquer qu'il n'est "pas permis de dire que le champ gravitationnel solaire agit comme une lentille, car il n'a pas de distance focale". Si la source (lumineuse), l'objet massif de lentille et l'observateur se trouvent en ligne droite, la source lumineuse d'origine apparaîtra sous la forme d'un anneau autour de l'objet massif de lentille (à condition que la lentille ait une symétrie circulaire). S'il y a un désalignement, l'observateur verra à la place un segment d'arc. Ce phénomène a été mentionné pour la première fois en 1924 par le physicien de Saint-Pétersbourg Orest Khvolson , et quantifié par Albert Einstein en 1936. Il est généralement appelé dans la littérature un anneau d'Einstein , puisque Khvolson ne s'est pas préoccupé du flux ou du rayon du image de l'anneau. Plus communément, lorsque la masse de lentille est complexe (comme un groupe ou un amas de galaxies ) et ne provoque pas de distorsion sphérique de l'espace-temps, la source ressemblera à des arcs partiels dispersés autour de la lentille. L'observateur peut alors voir plusieurs images déformées de la même source ; le nombre et la forme de ceux-ci dépendent des positions relatives de la source, de la lentille et de l'observateur, et la forme du puits gravitationnel de l'objet lentille.

Il existe trois classes de lentilles gravitationnelles :

Verres puissants
Là où il y a des distorsions facilement visibles telles que la formation d' anneaux d'Einstein , d'arcs et d'images multiples. Bien qu'il soit considéré comme "fort", l'effet est en général relativement faible, de sorte que même une galaxie d'une masse supérieure à 100 milliards de fois celle du Soleil produira plusieurs images séparées de quelques secondes d'arc seulement . Les amas de galaxies peuvent produire des séparations de plusieurs minutes d'arc. Dans les deux cas, les galaxies et les sources sont assez éloignées, à plusieurs centaines de mégaparsecs de notre Galaxie.
Faible lentille
Où les distorsions des sources de fond sont beaucoup plus petites et ne peuvent être détectées qu'en analysant un grand nombre de sources de manière statistique pour trouver des distorsions cohérentes de quelques pour cent seulement. La lentille apparaît statistiquement comme un étirement préféré des objets d'arrière-plan perpendiculairement à la direction vers le centre de la lentille. En mesurant les formes et les orientations d'un grand nombre de galaxies lointaines, leurs orientations peuvent être moyennées pour mesurer le cisaillement du champ de lentille dans n'importe quelle région. Ceci, à son tour, peut être utilisé pour reconstruire la distribution de masse dans la zone : en particulier, la distribution de fond de la matière noire peut être reconstruite. Étant donné que les galaxies sont intrinsèquement elliptiques et que le faible signal de lentille gravitationnelle est faible, un très grand nombre de galaxies doit être utilisé dans ces relevés. Ces relevés par lentilles faibles doivent soigneusement éviter un certain nombre de sources importantes d' erreur systématique : la forme intrinsèque des galaxies, la tendance de la fonction d'étalement ponctuel d'une caméra à déformer la forme d'une galaxie et la tendance de la vision atmosphérique à déformer les images doivent être comprises et soigneusement pris en compte. Les résultats de ces enquêtes sont importants pour l'estimation des paramètres cosmologiques, pour mieux comprendre et améliorer le modèle Lambda-CDM , et pour fournir un contrôle de cohérence sur d'autres observations cosmologiques. Ils peuvent également constituer une contrainte future importante sur l'énergie noire .
Microlentille
Où aucune distorsion de forme n'est visible mais la quantité de lumière reçue d'un objet d'arrière-plan change dans le temps. L'objet lentille peut être des étoiles de la Voie lactée dans un cas typique, la source de fond étant des étoiles dans une galaxie éloignée, ou, dans un autre cas, un quasar encore plus éloigné . Dans des cas extrêmes, une étoile dans une galaxie lointaine peut agir comme une microlentille et grossir une autre étoile beaucoup plus loin. Le premier exemple en est l'étoile MACS J1149 Lensed Star 1 (également connue sous le nom d'Icare), qui est à ce jour l'étoile la plus éloignée jamais observée, grâce à l'augmentation de flux due à l'effet de microlentille.

Les lentilles gravitationnelles agissent également sur toutes sortes de rayonnements électromagnétiques , pas seulement la lumière visible, mais aussi sur les rayonnements non électromagnétiques, comme les ondes gravitationnelles. Les effets de lentilles faibles sont à l'étude pour le fond diffus cosmologique ainsi que pour les relevés de galaxies . Des lentilles fortes ont également été observées dans les régimes radio et rayons X. Si un objectif puissant produit plusieurs images, il y aura un délai relatif entre deux trajets : c'est-à-dire que dans une image, l'objet cristallin sera observé avant l'autre image.

Histoire

L'une des photographies d' Eddington de l' expérience de l' éclipse solaire de 1919 , présentée dans son article de 1920 annonçant son succès

Henry Cavendish en 1784 (dans un manuscrit non publié) et Johann Georg von Soldner en 1801 (publié en 1804) avaient souligné que la gravité newtonienne prédit que la lumière des étoiles se courbera autour d'un objet massif comme l'avait déjà supposé Isaac Newton en 1704 dans ses Requêtes. No.1 dans son livre Opticks . La même valeur que celle de Soldner a été calculée par Einstein en 1911 sur la base du seul principe d'équivalence . Cependant, Einstein a noté en 1915, en train d'achever la relativité générale, que son résultat (et donc celui de Soldner) de 1911 n'est que la moitié de la valeur correcte. Einstein est devenu le premier à calculer la valeur correcte pour la flexion légère.

La première observation de la déviation de la lumière a été réalisée en notant le changement de position des étoiles lorsqu'elles passaient près du Soleil sur la sphère céleste . Les observations ont été effectuées en 1919 par Arthur Eddington , Frank Watson Dyson et leurs collaborateurs lors de l' éclipse totale de Soleil le 29 mai . L'éclipse solaire a permis d'observer les étoiles proches du Soleil. Des observations ont été faites simultanément dans les villes de Sobral, Ceará , au Brésil et à São Tomé et Príncipe sur la côte ouest de l'Afrique. Les observations ont démontré que la lumière des étoiles passant près du Soleil était légèrement courbée, de sorte que les étoiles semblaient légèrement hors de position.

Diriger la lumière autour d'un objet massif provenant d'une source distante. Les flèches oranges indiquent la position apparente de la source d'arrière-plan. Les flèches blanches montrent le chemin de la lumière à partir de la position réelle de la source.
Dans la formation connue sous le nom de croix d'Einstein , quatre images du même quasar distant apparaissent autour d'une galaxie au premier plan en raison d'une forte lentille gravitationnelle.

Le résultat a été considéré comme une nouvelle spectaculaire et a fait la une de la plupart des grands journaux. Cela a rendu Einstein et sa théorie de la relativité générale célèbres dans le monde entier. Quand son assistant lui a demandé quelle aurait été sa réaction si la relativité générale n'avait pas été confirmée par Eddington et Dyson en 1919, Einstein a répondu : "Alors je serais désolé pour le cher Seigneur. La théorie est correcte de toute façon." En 1912, Einstein avait émis l'hypothèse qu'un observateur pouvait voir plusieurs images d'une seule source lumineuse, si la lumière était déviée autour d'une masse. Cet effet ferait agir la masse comme une sorte de lentille gravitationnelle. Cependant, comme il ne considérait que l'effet de la déviation autour d'une seule étoile, il semblait conclure qu'il était peu probable que le phénomène soit observé dans un avenir prévisible, car les alignements nécessaires entre les étoiles et l'observateur seraient hautement improbables. Plusieurs autres physiciens ont également spéculé sur la lentille gravitationnelle, mais tous sont parvenus à la même conclusion qu'il serait presque impossible à observer.

Bien qu'Einstein ait fait des calculs inédits sur le sujet, la première discussion sur la lentille gravitationnelle dans l'imprimé était par Khvolson, dans un court article discutant de "l'effet de halo" de la gravitation lorsque la source, la lentille et l'observateur sont dans un alignement presque parfait, maintenant appelé l' anneau d'Einstein .

En 1936, après quelques insistances de Rudi W. Mandl, Einstein publia à contrecœur le court article "Lens-Like Action of a Star By the Deviation of Light In the Gravitational Field" dans la revue Science .

En 1937, Fritz Zwicky a d' abord considéré le cas où les galaxies nouvellement découvertes (qui étaient appelées « nébuleuses » à l'époque) pourraient agir à la fois comme source et lentille, et que, en raison de la masse et des tailles impliquées, l'effet était beaucoup plus probable être observé.

En 1963, Yu. G. Klimov, S. Liebes et Sjur Refsdal ont reconnu indépendamment que les quasars sont une source lumineuse idéale pour l'effet de lentille gravitationnelle.

Ce n'est qu'en 1979 que la première lentille gravitationnelle sera découverte. Il est devenu connu sous le nom de " Twin QSO " car il ressemblait initialement à deux objets quasi stellaires identiques. (Il est officiellement nommé SBS 0957+561 .) Cette lentille gravitationnelle a été découverte par Dennis Walsh , Bob Carswell et Ray Weymann à l'aide du télescope de 2,1 mètres de l'observatoire national de Kitt Peak .

Dans les années 1980, les astronomes ont réalisé que la combinaison d'imageurs CCD et d'ordinateurs permettrait de mesurer la luminosité de millions d'étoiles chaque nuit. Dans un champ dense, comme le centre galactique ou les nuages ​​de Magellan, de nombreux événements de microlentille par an pourraient potentiellement être trouvés. Cela a conduit à des efforts tels que Optical Gravitational Lensing Experiment , ou OGLE, qui ont caractérisé des centaines d'événements de ce type, y compris ceux de OGLE-2016-BLG-1190Lb et OGLE-2016-BLG-1195Lb .

Explication en termes de courbure de l'espace-temps

Lentille gravitationnelle simulée (trou noir passant devant une galaxie en arrière-plan).

En relativité générale, la lumière suit la courbure de l'espace-temps, par conséquent, lorsque la lumière passe autour d'un objet massif, elle est courbée. Cela signifie que la lumière d'un objet de l'autre côté sera courbée vers l'œil d'un observateur, tout comme une lentille ordinaire. En relativité générale, la vitesse de la lumière dépend du potentiel gravitationnel (c'est-à-dire de la métrique) et cette courbure peut être considérée comme une conséquence du déplacement de la lumière le long d'un gradient de vitesse de la lumière. Les rayons lumineux sont la frontière entre le futur, l'espace et les régions passées. L'attraction gravitationnelle peut être considérée comme le mouvement d'objets non perturbés dans une géométrie incurvée en arrière- plan ou comme la réponse d'objets à une force dans une géométrie plate. L'angle de déviation est :

vers la masse M à une distance r du rayonnement affecté, où G est la constante universelle de gravitation et c est la vitesse de la lumière dans le vide.

Étant donné que le rayon de Schwarzschild est défini comme et la vitesse d'échappement est définie comme , cela peut également être exprimé sous une forme simple comme

Recherche de lentilles gravitationnelles

Cette image du télescope spatial Hubble de la NASA/ESA montre l'amas de galaxies MACS J1206 .

La plupart des lentilles gravitationnelles du passé ont été découvertes accidentellement. Une recherche de lentilles gravitationnelles dans l'hémisphère nord (Cosmic Lens All Sky Survey, CLASS), effectuée en radiofréquences à l'aide du Very Large Array (VLA) au Nouveau-Mexique, a conduit à la découverte de 22 nouveaux systèmes de lentilles, une étape majeure. Cela a ouvert une toute nouvelle voie de recherche allant de la recherche d'objets très éloignés à la recherche de valeurs pour les paramètres cosmologiques afin que nous puissions mieux comprendre l'univers.

Une recherche similaire dans l'hémisphère sud serait un très bon pas pour compléter la recherche dans l'hémisphère nord ainsi que pour obtenir d'autres objectifs d'étude. Si une telle recherche est effectuée à l'aide d'instruments et de données bien calibrés et bien paramétrés, on peut s'attendre à un résultat similaire à celui du relevé nordique. L'utilisation des données d'enquête du télescope australien 20 GHz (AT20G) collectées à l'aide du réseau compact du télescope australien (ATCA) constitue une telle collecte de données. Comme les données ont été collectées à l'aide du même instrument en maintenant une qualité de données très stricte, nous devrions nous attendre à obtenir de bons résultats de la recherche. Le sondage AT20G est un sondage à l'aveugle à la fréquence de 20 GHz dans le domaine radio du spectre électromagnétique. En raison de la fréquence élevée utilisée, les chances de trouver des lentilles gravitationnelles augmentent à mesure que le nombre relatif d'objets centraux compacts (par exemple les quasars) est plus élevé (Sadler et al. 2006). Ceci est important car la lentille est plus facile à détecter et à identifier dans des objets simples que dans des objets complexes. Cette recherche implique l'utilisation de méthodes interférométriques pour identifier les candidats et les suivre à plus haute résolution pour les identifier. Le détail complet du projet est actuellement en cours de travaux pour publication.

L'amas de galaxies SDSS J0915+3826 aide les astronomes à étudier la formation des étoiles dans les galaxies.

Des techniques de microlentille ont été utilisées pour rechercher des planètes en dehors de notre système solaire. Une analyse statistique de cas spécifiques de microlentilles observées au cours de la période de 2002 à 2007 a révélé que la plupart des étoiles de la Voie lactée hébergeaient au moins une planète en orbite dans un rayon de 0,5 à 10 UA.

Dans un article de 2009 sur Science Daily, une équipe de scientifiques dirigée par un cosmologue du Lawrence Berkeley National Laboratory du département américain de l'Énergie a fait des progrès majeurs en étendant l'utilisation de la lentille gravitationnelle à l'étude de structures beaucoup plus anciennes et plus petites que ce qui n'était auparavant possible par indiquant que la faible lentille gravitationnelle améliore les mesures des galaxies lointaines.

Les astronomes du Max Planck Institute for Astronomy à Heidelberg , en Allemagne , dont les résultats sont acceptés pour publication le 21 octobre 2013 dans l' Astrophysical Journal Letters , ont découvert ce qui était à l'époque la galaxie à lentille gravitationnelle la plus éloignée appelée J1000+0221 en utilisant NASA de Hubble Space Telescope . Bien qu'elle reste la galaxie à lentilles à quatre images la plus éloignée connue, une galaxie à lentilles à deux images encore plus éloignée a ensuite été découverte par une équipe internationale d'astronomes utilisant une combinaison d' imagerie et de spectroscopie du télescope spatial Hubble et du télescope Keck . La découverte et l'analyse de la lentille IRC 0218 ont été publiées dans l' Astrophysical Journal Letters le 23 juin 2014.

Une recherche publiée le 30 septembre 2013 dans l'édition en ligne de Physical Review Letters , dirigée par l'Université McGill à Montréal , Québec , Canada, a découvert les modes B , qui sont formés en raison de l'effet de lentille gravitationnelle, en utilisant le pôle Sud de la National Science Foundation . Télescope et avec l'aide de l'observatoire spatial Herschel. Cette découverte ouvrirait la possibilité de tester les théories sur l'origine de notre univers.

Amas de galaxies Abell 2744 - galaxies extrêmement éloignées révélées par lentille gravitationnelle (16 octobre 2014).

Lentille gravitationnelle solaire

Albert Einstein a prédit en 1936 que les rayons de lumière provenant de la même direction qui longent les bords du Soleil convergeraient vers un point focal situé à environ 542 UA du Soleil. Ainsi, une sonde positionnée à cette distance (ou plus) du Soleil pourrait utiliser le Soleil comme lentille gravitationnelle pour grossir des objets distants du côté opposé du Soleil. L'emplacement d'une sonde pourrait se déplacer au besoin pour sélectionner différentes cibles par rapport au Soleil.

Cette distance est bien au-delà des progrès et des capacités d'équipement des sondes spatiales telles que Voyager 1 , et au-delà des planètes connues et des planètes naines, bien que sur des milliers d'années, 90377 Sedna s'éloignera davantage sur son orbite hautement elliptique. Le gain élevé pour la détection potentielle de signaux à travers cette lentille, tels que les micro-ondes sur la ligne de l'hydrogène à 21 cm , a conduit à la suggestion de Frank Drake au début de SETI qu'une sonde pourrait être envoyée à cette distance. Une sonde polyvalente SETISAIL et plus tard FOCAL a été proposée à l'ESA en 1993, mais on s'attend à ce qu'elle soit une tâche difficile. Si une sonde dépasse 542 UA, les capacités de grossissement de la lentille continueront d'agir à des distances plus éloignées, car les rayons qui se concentrent à de plus grandes distances s'éloignent des distorsions de la couronne solaire. Une critique du concept a été donnée par Landis, qui a discuté de questions telles que l'interférence de la couronne solaire, le fort grossissement de la cible, ce qui rendra la conception du plan focal de la mission difficile, et une analyse de l' aberration sphérique inhérente de la lentille. .

En 2020, le physicien de la NASA Slava Turyshev a présenté son idée d'imagerie multipixel directe et de spectroscopie d'une exoplanète avec une mission à lentille gravitationnelle solaire . L'objectif pourrait reconstruire l'image de l'exoplanète avec une résolution de surface d'environ 25 km, suffisamment pour voir les caractéristiques de la surface et les signes d'habitabilité.

Mesurer les lentilles faibles

Amas de galaxies MACS J2129-0741 et galaxie à lentille MACS2129-1.

Kaiser, Squires et Broadhurst (1995), Luppino et Kaiser (1997) et Hoekstra et al. (1998) ont prescrit une méthode pour inverser les effets de l'étalement et du cisaillement de la fonction d'étalement des points (PSF), en récupérant un estimateur de cisaillement non contaminé par la distorsion systématique de la PSF. Cette méthode (KSB+) est la méthode la plus largement utilisée dans les mesures de cisaillement de lentille faible.

Les galaxies ont des rotations et des inclinaisons aléatoires. En conséquence, les effets de cisaillement dans les lentilles faibles doivent être déterminés par des orientations statistiquement préférées. La principale source d'erreur dans la mesure de la lentille est due à la convolution de la PSF avec l'image de la lentille. La méthode KSB mesure l'ellipticité d'une image de galaxie. Le cisaillement est proportionnel à l'ellipticité. Les objets dans les images lentilles sont paramétrés en fonction de leurs moments quadripolaires pondérés. Pour une ellipse parfaite, les moments quadripolaires pondérés sont liés à l'ellipticité pondérée. KSB calcule comment une mesure d'ellipticité pondérée est liée au cisaillement et utilise le même formalisme pour supprimer les effets de la PSF.

Les principaux avantages de KSB sont sa facilité mathématique et sa mise en œuvre relativement simple. Cependant, KSB est basé sur une hypothèse clé selon laquelle la PSF est circulaire avec une distorsion anisotrope. Il s'agit d'une hypothèse raisonnable pour les levés de cisaillement cosmique, mais la prochaine génération de levés (par exemple LSST ) pourrait nécessiter une bien meilleure précision que celle que KSB peut fournir.

Galerie

Galaxies lointaines formant des étoiles à lentille gravitationnelle.

Voir également

Documents historiques et références

  • Khvolson, O (1924). "Über eine mögliche Form fiktiver Doppelsterne". Astronomische Nachrichten . 221 (20) : 329-330. Bibcode : 1924AN .... 221..329C . doi : 10.1002/asna.19242212003 .
  • Einstein, Albert (1936). « Action semblable à une lentille d'une étoile par la déviation de la lumière dans le champ gravitationnel ». Sciences . 84 (2188): 506-7. Bibcode : 1936Sci .... 84..506E . doi : 10.1126/science.84.2188.506 . JSTOR  1663250 . PMID  17769014 . S2CID  38450435 .
  • Renn, Jürgen; Tilman Sauer ; John Stachel (1997). « L'origine de la lentille gravitationnelle : un post-scriptum à l'article scientifique d'Einstein en 1936 ». Sciences . 275 (5297) : 184-6. Bibcode : 1997Sci ... 275..184R . doi : 10.1126/science.275.5297.184 . PMID  8985006 . S2CID  43449111 .

Les références

Remarques
Bibliographie
Lectures complémentaires

Liens externes

En vedette dans des œuvres de science-fiction