Les lentilles gravitatio-noël

C’est Noël et on a fait un sapin !

Avec des boules en verre et une guirlande électrique !

Et comme tous les ans, je tombe en extase devant un phénomène physique propre aux boules en verre, aux guirlandes électriques et aux objets astrophysiques super-massifs.

Voyez-vous sur la photo ci-contre l’anneau lumineux rouge au périmètre de la boule  en verre ? Il est plus visible sur la photo du dessous, prise sans flash. Ce phénomène provient de la petite ampoule de guirlande électrique, située en arrière, pile au centre de la boule dans l’axe de mon objectif.

Cette petite ampoule émet une lumière rouge qu’on distingue au centre, mais elle émet également dans toutes les autres directions, et une partie de cette lumière est déviée par le verre de la boule.

Ces rayons lumineux déviés donnent alors l’impression de provenir du périmètre de la boule en verre. C’est le principe de l’image virtuelle que l’on étudie en optique géométrique.

L’idée en est rappelé ci-dessous

Eh bien figurez-vous que ce phénomène observé dans mon salon n’est pas très éloigné de celui des lentilles gravitationnelles, prédictions de la théorie de la Relativité générale d’Einstein, et qui font la joie des astrophysiciens du monde entier.

La déviation de la lumière par les corps

Depuis Newton, on sait que les corps massifs attirent les autres corps massifs. Mais depuis Einstein on sait également que la masse et l’énergie, c’est pareil. Et oui, E=mc² c’est entre autres ça que ça raconte.

Et une des conséquences de la théorie de la relativité générale d’Einstein, c’est que les corps massifs attirent la lumière, et peuvent donc la faire dévier de sa trajectoire, d’ordinaire rectiligne. La possibilité de cette déviation a d’ailleurs permis la première confirmation expérimentale de la théorie d’Einstein.

En 1919, lors d’une éclipse totale de Soleil, Arthur Eddington a observé une étoile située quasiment dans l’axe du soleil, et il a pu mesurer que sa position apparente était en léger décalage avec sa position réelle attendue. Ce décalage était dû d’après les calculs d’Eddington à la déviation de la lumière de l’étoile par le Soleil, suffisamment massif pour cela.

Comme on peut le comprendre sur le schéma ci-dessous, cette observation n’a été possible que grâce à l’eclipse totale. En temps normal, l’étoile aurait été invisible à cause de l’éblouissement dû au soleil.

Bien qu’aujourd’hui remise en question, cette observation d’Eddington fut la première confirmation spectaculaire de la théorie de la relativité générale, et qui valu à Einstein une gloire internationale, 4 ans après la publication de sa théorie.

Le phénomène de lentille gravitationnelle

En élargissant le terrain de jeu à l’Univers tout entier, on s’aperçoit qu’en observant l’espace avec de puissants téléscopes, et avec une bonne dose de chance, on peut découvrir des effets spectaculaires de déviation de la lumière.

Ces effets se produisent quand la lumière d’une étoile ou d’une galaxie est déviée par un corps très massif, comme une autre galaxie ou même un trou noir.

Dans des cas particuliers, cette déviation donne naissance à un phénomène d’anneaux lumineux, très similaires à ceux de ma boule en verre. On les appelle d’ailleurs les anneaux d’Einstein. Voir la photo ci-contre : non ce n’est pas mon sapin, c’est une véritable image astrophysique !

L’explication est exactement la même que lors de l’observation d’Eddington. Quand la source et le corps massif sont à peu près alignés, une partie de la lumière est rabattue par le corps massif, créant ainsi de multiples images de la source, qui se répartissent en anneau autour de l’axe de visée.

A quoi servent ces lentilles gravitationnelles ?

Tout d’abord les lentilles gravitationnelles confirment s’il en était besoin une partie de la théorie d’Einstein. Ensuite elles permettent de faire de très jolies photos astronomiques. Mais surtout elles nous apprennent des choses très intéressantes sur la matière parfois invisible qui compose notre univers.

En effet lorsqu’un corps dévie de la lumière par effet de lentille, cela peut permettre de remonter à des informations sur sa masse. Et mesurer la masse d’un objet astrophysique, ça n’est pas très simple en temps normal.

Il s’agit même d’une technique de mise en évidence des planètes extrasolaires, moyen particulièrement adapté à la découvertes de petites exoplanètes, de masses proches de celle de la Terre.

Et tout ça sur mon sapin de Nöel !

Crédits

  • Boules de Noël : Science étonnante
  • Schémas : Science étonnante
  • Anneau d’Einstein : NASA, Wikimedia Commons
  • Lentilles gravitationnelles : Abell 2218, NASA,

6 réflexions sur “Les lentilles gravitatio-noël

  1. Un truc que j’ai jamais compris dans ces phénomènes de lentille gravitationnelle: pourquoi l’image fantôme n’est-elle pas circulaire comme dans votre boule de Noël, mais discontinue avec deux, trois ou quatre arcs de cercle?
    Super votre blog, vos billets sont un régal!

  2. Je vois plusieurs explications qui jouent :
    – quand on est pas pile poil dans l’axe source/lentilles, on ne voit plus que des arcs de cercle, ça marche aussi avec mes boules de Noël et j’ai du m’appliquer pour bien faire la photo. Il ne faut pas oublier que les phénomènes de lentilles gravitationnelles de ce genre sont rarissimes, alors la probabilité d’être en plus pile dans l’axe…
    – ensuite il ne faut pas oublier que le cercle est ce qu’on observe pour un objet ‘lentille’ parfaitement sphérique. Or les lentilles sont typiquement des galaxies ou des amas de galaxies, dont on sait bien qu’ils ont une distribution de matière fortement anisotrope, surtout les galaxies qui sont pour l’essentiel ‘plates’
    – enfin il ne faut pas exclure que la lumière déviée soit en partie arrêtée par d’autres objets, voire par la lentille elle même.

    Merci pour vos encouragements !

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  6. En effet c’est avant tout une question de probabilité. Un mauvais alignement ou la présence d’une autre lentille a proximité (ce qui est souvent le cas) perturbe la distribution de masse et transforme l’anneau en arc. Souvent la lentille est par contre suffisamment régulière pour être proche d’une belle ellipse, et dans ce cas on a la formation d’une ‘croix d’Einstein’ au lieu de l’anneau. Une bonne manière de le visualiser: si on utilise un pied de verre à vin au lieu de la boule de Noël, en l’inclinant on le transforme en lentille elliptique, formant une belle croix.

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