Cienciaes.com : Loupes dans le ciel et relativité générale. Nous avons parlé avec Antonio Claret.

Depuis qu’Albert Einstein a donné naissance à sa théorie de la relativité générale, 100 ans se sont écoulés, une période au cours de laquelle la théorie, après avoir passé avec succès un grand nombre de tests théoriques, expérimentaux et observationnels, est devenue l’une des réalisations les plus impressionnantes de l’histoire de la Relativité générale. Science. Antono Claret, astrophysicien théoricien à l’Institut Andalou d’Astrophysique de la SCCInous raconte aujourd’hui comment la prédiction d’Einstein selon laquelle les courbures de la lumière sont vaincues par la gravité a été vérifiée par l’observation, une démonstration qui a ouvert la voie à des phénomènes alors insoupçonnés, tels que les lentilles gravitationnelles et les microlentilles.

Microlentilles gravitationnelles. Loupes dans l’Univers.
(Texte d’Antonio Claret, AAI)

Lorsqu’on parle de lentilles, l’image classique que l’on se fait de ces objets nous vient à l’esprit : un verre très poli qui augmente normalement la taille de l’objet observé. Mais l’expression lentille gravitationnelle, ça veut dire quoi ? Pour répondre à cette question, il faut remonter cent ans en arrière, jusqu’en 1915. Cette année-là, Albert Einstein a formulé la théorie de la relativité générale, qui décrit les interactions gravitationnelles entre les corps célestes et élargit considérablement la théorie de la gravitation de Newton.

Selon la description d’Einstein, la matière déforme l’espace dans lequel elle est immergée et cette distorsion s’avère être la cause de l’attraction gravitationnelle entre les corps. Mais les corps matériels ne sont pas les seuls à ressentir l’influence du champ gravitationnel : le trajet d’un faisceau de lumière sera également dévié lorsqu’il passera à proximité d’un objet massif. Mais comment vérifier les prédictions théoriques d’Einstein ? L’idée qui circulait assez largement à l’époque consistait à observer le Soleil lors d’une éclipse : la lumière des étoiles vues angulairement proches du Soleil serait déviée par le champ gravitationnel du Soleil. En photographiant ce champ d’étoiles proches du Soleil pendant et après l’éclipse, les deux plaques photographiques révéleraient (au double sens de ce terme) les différences de positions des étoiles proches (en angle) du Soleil. , Arthur Eddington, a réalisé la tâche. Profitant du fait qu’une éclipse totale de Soleil aurait lieu le 29 mai 1919, Eddington organisa deux expéditions pour l’observer : l’une à l’île Príncipe – sous le commandement d’Eddington – et l’autre à Sobral (Brésil), sous la direction de Dyson.

La première expédition n’a pas eu beaucoup de chance. La météo n’a pas aidé et même si Eddington croyait avoir vérifié les prévisions, ses photographies n’étaient pas d’une qualité suffisante. Heureusement, la région de Sobral est très ensoleillée et l’équipe envoyée dans ce coin du Brésil a obtenu environ sept photographies de bonne qualité qui, après une analyse exhaustive, ont révélé la concordance entre l’observation et la théorie d’Einstein. Cependant, la qualité de ces photographies est actuellement remise en question.

Bien que toute lentille gravitationnelle soit produite par la force de gravité des corps qui se trouvent sur le trajet de la lumière, le résultat des observations varie d’un changement apparent de position à une déformation ou une multiplication de l’image source. La plupart des lentilles trouvées trouvent leur origine dans des quasars, même si une galaxie, alignée avec un amas de galaxies, peut également donner lieu à des mirages gravitationnels et offrir une image déformée. Une autre typologie de phénomènes de lentilles est celle produite par un corps plus petit, par exemple une étoile (microlentille). Sa force gravitationnelle provoque une division des rayons lumineux dans une proportion beaucoup plus faible que celle des galaxies, de sorte que la séparation nous est imperceptible et que nous ne détectons qu’une augmentation de la luminosité de l’image lointaine. Il s’agit d’un phénomène difficile à détecter car il nécessite que l’étoile source, l’objet lentille et nous soyons correctement alignés.

Cependant, il existe déjà quelques cas documentés. Récemment, un groupe d’astrophysiciens de neuf pays, dont l’Espagne (AAI), a observé une microlentille qui grossit l’objet source plus de quatre cents fois. Cinq télescopes au sol et le télescope spatial Hubble ont été utilisés pour suivre l’événement. Hubble s’est chargé de définir précisément le type spectral de l’étoile source, information primordiale puisqu’elle détermine quels modèles d’atmosphère stellaire doivent être utilisés. La courbe de lumière issue de la microlentille MOA 2002-BLG-33 (le nom vient d’un oiseau disparu en Nouvelle-Zélande)

Ce type de courbe est dit caustique et la forme en « M » dans sa partie centrale indique que la microlentille est, en réalité, un système binaire. La forme de la courbe lumineuse dépend des caractéristiques de la microlentille et d’autres paramètres qui interviennent également dans la caractérisation de la courbe lumineuse mais ne sont pas directement liés à la lentille : la trajectoire, le rayon et l’assombrissement vers le bord (membre- assombrissement) de l’étoile source.

L’assombrissement vers le bord est un phénomène physique qui peut être observé même dans une ampoule ordinaire : si nous la regardons directement – ​​sans excès pour ne pas altérer la vision – nous remarquerons que les bords de l’ampoule semblent plus sombres que son centre. Cela se produit parce que la lumière provenant de l’intérieur de l’étoile parcourt un trajet plus long sur les bords que dans la direction centrale et, par conséquent, est atténuée. La même chose se produit avec le Soleil et avec toutes les étoiles. En d’autres termes, l’assombrissement des membres est une mesure de la façon dont la lumière d’une étoile est répartie sur tout son disque. Cette répartition n’est pas uniforme : elle dépend de la quantité de métaux que contient l’étoile, de la micro-turbulence, de son rayon, de sa masse et de sa température.

La lumière de l’étoile source étant amplifiée près de cinq cents fois, nous avons eu la possibilité sans précédent d’étudier en détail la répartition de la lumière dans le disque de cette étoile, de type solaire bien que beaucoup plus évoluée. La qualité des données exigeait en contrepartie un calcul très détaillé des modèles d’atmosphère stellaire incluant des millions de raies spectrales. En raison de la complexité du problème, les techniques habituelles (et encore moins les anciennes techniques d’intégration que certains s’obstinent encore à utiliser) pour résoudre l’équation de transfert de rayonnement n’ont pas été appliquées de manière habituelle, puisqu’elles ont également pris en compte les effets de géométrie sphérique, qui ne sont pas incluses dans les modèles actuellement disponibles, qui considèrent uniquement les effets d’une géométrie plane.

Le résultat de ces calculs est visible sur la figure 2, où la ligne noire continue représente la courbe de lumière calculée et les barres colorées désignent les données d’observation. Le calcul pour reproduire la courbe de lumière est un processus très laborieux et nécessite beaucoup de temps sur de gros ordinateurs, tout comme le calcul des modèles d’atmosphère. Pour la première fois, l’assombrissement des limbes a pu être observé et comparé pour ce type d’étoiles avec un niveau de confiance réel d’environ quatre-vingt-quinze pour cent.

En juin 2005, la même équipe d’astrophysiciens, à laquelle participe Antonio Claret, de l’Institut d’Astrophysique d’Andalousie, a déterminé pour la première fois la forme d’une étoile lointaine, grâce à la microlentille. MOA 2002-BLG-33. Par une heureuse coïncidence, l’année Einstein a été commémorée en 2005, à l’occasion du 100e anniversaire de la formulation de la théorie de la relativité. Ce fait a été souligné à juste titre dans la presse spécialisée. Revenant aux aspects techniques, la précision de la mesure était de 0,04 microarcseconde. Pour avoir une idée de cette précision, la figure de droite montre une image obtenue avec le télescope spatial Hubble (à gauche) comparée à celle obtenue grâce à la technique des microlentilles gravitationnelles (à droite). La résolution est de l’ordre d’un million de fois supérieure dans le second cas. Une telle précision est vraiment frappante étant donné que MOA 2002-BLG-33 est situé à environ 17 000 années-lumière de la Terre.

LES RÉFÉRENCES

“Phénomènes astrophysiques et extinction des dinosaures.” Antonio Claret dos Santos ([email protected]) Conseil supérieur de la recherche scientifique, Institut d’Astrophysique d’Andalousie

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