Gravitation - De l'Univers

On a découvert un mirage cosmique de plus avec le Télescope Nouvelle Technologie (NTT) 3,5 m de l'ESO. Il s'agit de deux images, vues très proches l'une de l'autre, du même quasar dans la constellation australe d'Hydra (le Serpent d'Eau).

Depuis la passionnante découverte du premier mirage cosmique, il y a 17 ans, les astronomes se sont demandé à quel point ce phénomène étrange est réellement fréquent. Dans la plupart des cas, on voit plus qu'une image du même objet céleste. Cet effet est causé par l'arcure et la convergence de la lumière émise par des objets distants quand elle passe à travers les champs gravitationnels puissants de galaxies massives sur son chemin à nous. Cependant, aujourd'hui, les opinions des spécialistes divergent. Alors que certains croient qu'il s'agit d'un événement très rare, d'autres sont en désaccord et certains ont même suggéré qu'une fraction substantielle des images très faibles, vues sur des photos longue exposition obtenues avec des grands télescopes astronomiques, peut, en fait, être causée par cet effet. Si c'était le cas, elles ne seraient pas "réelles". Est-il donc concevable que l'Univers distant soit simplement un grand cabinet de miroirs?

Il n'y a qu'une façon de répondre à cette question importante - des observations meilleures et plus nombreuses doivent être effectuées. C'est au cours de ces nouvelles recherches que la nouvelle découverte a été faite par un groupe de trois astronomes européens (1).

Les mirages cosmiques sont causés par des lentilles gravitationnelles

Le principe physique qui se trouve derrière le mirage cosmique est connu depuis 1916 comme une conséquence de la Théorie sur la Relativité générale d'Einstein. Le champ gravitationnel d'un objet massif courbe la géométrie locale de l'univers, de sorte que les rayons lumineux passant tout près de l'objet sont aussi courbés (de la même façon qu'une ligne droite sur la surface de la Terre est nécessairement courbée à cause de la courbure de la surface de la terre).

Cet effet a été observé pour la première fois par des astronomes en 1919 durant une éclipse solaire totale. Des mesures exactes sur la position des étoiles vues dans le ciel noir près du Soleil éclipsé indiquaient un apparent déplacement dans la direction opposée au Soleil de presque autant que ce que la théorie prédisait. L'effet était manifestement dû à l'attraction gravitationnelle des photons stellaires quand ils passaient près du Soleil sur son chemin à nous. C'était une confirmation directe d'un nouveau phénomène et ça représentait un événement important en physique. Dans les années 1930, l'astronome Fritz Zwicky (1898-1974), de nationalité suisse et travaillant à l'Observatoire du Mont Wilson en Californie, réalisa que le même effet peut aussi apparaître dans l'espace lointain où des galaxies et de grands amas de galaxies peuvent être suffisamment compactes et massifs pour courber la lumière venant d'objets encore plus distants. Cependant, ce fut seulement cinq décades plus tard, en 1979, que ses idées furent confirmées par des observations, quand le premier exemple d'un mirage cosmique fut découvert.

A ce propos, c'est d'un intérêt particulier que cet effet de lentille gravitationnelle ne peut pas seulement résulter dans des images doubles ou multiples du même objet, mais aussi que les intensités de ces images augmentent de manière significative, comme c'est le cas avec une lentille optique ordinaire. Des galaxies distantes, des amas de galaxies, etc. peuvent agir ainsi comme des télescopes naturels qui nous permettent d'observer des objets qui, autrement, auraient été trop faibles pour être détectés avec les télescopes astronomiques actuellement disponibles.

Comment trouver des mirages cosmiques?

Plusieurs milliers de quasars ont été découverts très loin. La plupart des astronomes croient qu'ils représentent les centres incroyablement brillants et énergétiques de galaxies éloignées. Leurs distances peuvent être estimées en mesurant les vitesses avec lesquelles ils s'éloignent de nous. De leur apparente intensité mesurée au télescope, il est alors facile de calculer leur luminosité intrinsèque qui est la somme de l'énergie qu'ils rayonnent réellement.

Certains quasars émettent plus d'énergie que d'autres et les plus actifs sont connus comme des Quasars hautement lumineux (HLQ's). La plupart de ceux-ci peuvent, en effet, être excessivement lumineux, mais il est probable que certains apparaissent si lumineux parce que leurs images ont été soumises à amplification par l'intervention d'une lentille gravitationnelle.

C'est pour cette raison que la recherche de lentilles gravitationnelles, reconnaissables comme telles par la présence d'images multiples du quasar, est particulièrement pleine de promesses parmi les objets du type HLQ.

C'est aussi l'origine du succès des astronomes avec leur programme-clé longue durée de l'ESO "Lentilles gravitationnelles". Ce programme a pour objet déclaré de déterminer quelles fractions des quasars hautement lumineux sont vraiment sujet à l'effet de lentille. La réponse à cette question spécifique ne nous aidera pas seulement à mieux comprendre comment fonctionne réellement l'effet de lentille gravitationnelle; mais aussi, ce qui est aussi important, sa relation directe à la quantité de matière visible et sombre dans l'Univers, et aussi sa géométrie.

On vient de découvrir que les mirages cosmiques les plus communs sont les objets massifs les plus nombreux dans l'Univers lointain et que leur masse combinée est la plus importante contribution à la densité moyenne de l'Univers.

Un nouveau quasar double avec une très petite séparation angulaire

Le quasar le plus hautement lumineux connu sous le nom de JO3.13 est la septième lentille gravitationnelle extragalactique (candidate) à être découverte à La Silla (2), depuis le début de ce Programme-clé en 1989. Le nouvel objet a une magnitude visuelle apparente V = 17,2 (c'est-à-dire qu'elle est 30.000 fois plus faible que ce qui peut être vu à l'œil nu) et un décalage vers le rouge mesuré de 2,545, c'est-à-dire que la distance est approximativement de 10 billions d'années lumière (3).

Le fait que l'image de J03.13 est double a été établi pour la première fois avec la caméra Susi au Télescope Nouvelle Technologie (NTT) de 3,5 m de l'ESO en février 1994. Le cliché ci-dessus, grâce à la bonne résolution angulaire du NTT et le large rayon d'action dynamique de la caméra Susi, le démontre clairement.

La séparation des deux composantes (la décomposition) a été réalisée avec un programme de traitement d'images évolué et les astronomes ont décrit les résultats détaillés dans un article scientifique qui vient juste de paraître dans le journal professionnel européen d'Astronomie et d'Astrophysique (volume 305, pages L9-L12, 1996).

Les deux images de JO3.13 sont séparées par seulement 0,84 seconde d'arc. Elles ont la même couleur et la différence en luminosité est de 2,1 mag, entre autres le ratio de flux est d'environ 7:1. La spectroscopie lente dispersion, obtenue avec l'instrument multi-mode EMMI sur le NTT, a révélé deux systèmes de ligne d'absorption (sur les décalages vers le rouge Z = 2,340 et Z = 1,085). Cela fournit la preuve que deux condensations de matière sont situées le long de la ligne de vue du quasar. Toutes ces observations suggèrent fermement que nous pouvons voir deux images distinctes d'un même quasar éloigné via l'effet de lentille gravitationnelle.

Cependant, pour être absolument sûr, il est maintenant nécessaire d'obtenir le spectre de deux images ensemble de J03.13. Ce n'est pas facile à cause de leur très faible séparation angulaire et cela est plus aisé à réaliser avec le télescope spatial Hubble. Ces observations seront réalisées dans les mois à venir.

Statistiques des quasars haute luminosité

Plus de 1000 HLQs ont maintenant été observés avec les principaux télescopes à l'Observatoire de l'ESO à La Silla, le Télescope Canada-France-Hawaï sur Mauna Kea, le Télescope optique nordique à l'île de La Palma (les Iles Canaries), aussi bien qu'avec le Télescope spatial Hubble en orbite autour de la Terre. On a découvert qu'environ 1% de tous ces objets était affecté par les effets de lentille gravitationnelle. J03.13 est l'un d'eux.

Les résultats inférés des études statistiques établies sont relativement sensibles aux caractéristiques individuelles des images constituées, multiples de quasar, c'est-à-dire leur séparation angulaire, leur différence de brillance, etc. Dans ce contexte, les observations de quasar à images multiples avec une séparation angulaire plus petite qu'une second d'arc sont particulièrement importantes et J03.13 est à cet égard d'un intérêt particulier. L'existence de telles images "serrées" démontre que des galaxies en spirale, individuelles et elliptiques massives situées à de grandes distances sont capables de produire des effets de lentilles détectables et, donc, qu'elles étaient déjà présentes il y a plusieurs billions d'années.

Une autre étude réalisée par le même groupe d'astronomes, basée sur les caractéristiques des quasars à double image J03.13 A & B, Q1208+1011 A & B et Q1009+025 A & B pour lesquels les galaxies qui causent l'effet de lentille n'ont pas encore été trouvées, indique que toute population d'objets sombres et compactes avec des masses de l'ordre de 10¹⁰ - 10¹² de masses solaires ne peuvent pas contribuer à plus de 1/100 de la densité critique qui est nécessaire pour stopper de manière ultime l'expansion universelle et fermer l'Univers.