Des observations réalisées avec des télescopes de l’Observatoire de l’ESO
(Organisation Européenne pour des Recherches Astronomiques dans l’Hémisphère Austral) à La Silla au Chili ont révélé que l’image d’un quasar extrêmement éloigné, connu sous le nom Q1208+1011, consiste réellement en deux images très proches l’une de l’autre. C’est le plus éloigné mais aussi le plus brillant quasar jamais observé
a avoir une image double.
Il est probable qu’il s’agisse d’un mirage cosmique causé par une lentille gravitationnelle et que les deux images sont celles du même objet. S’il en est ainsi, un puissant champ gravitationnel situé quelque part le long de la ligne de visée a dévié la lumière venant du quasar. Cependant, il ne faut pas exclure la possibilité que ce que nous voyons soit deux quasars, très proches l’un de l’autre. Dans les deux cas, cette nouvelle découverte, aboutissement de travaux conduits par une équipe de l’Institut d’Astrophysique de l’Université de Liège, ouvre d’importantes possibilités pour l’étude des régions
les plus éloignées de l’Univers.
C’était en septembre 1608, à la foire annuelle de Francfort. Un Hollandais mettait en vente “un instrument grâce auquel les objets les plus lointains pouvaient être vus aussi bien que s’ils étaient assez près”. (1)
Moins d’un an plus tard, Galileo Galilei construisait un instrument qui pouvait grossir une vingtaine de fois, instrument qui lui permit d’observer la Lune, de découvrir quatre des satellites de Jupiter. L’héliocentrisme était dans l’air; mais l’Univers s’arrêtait aux étoiles de la Voie Lactée.
Sur quatre siècles, la notion des “objets célestes les plus lointains”, c’est quelque peu relativisée. Cette évolution est évidemment associée au perfectionnement d’instruments de plus en plus puissants. C’est une première leçon que l’on peut tirer de la découverte que nous annonçons en introduction.
Cette découverte prouve, s’il le fallait encore, que la recherche sur l’Univers, sur les phénomènes cosmiques, est une des plus grandes et des plus belles aventures de l’humanité et une des plus ambitieuses entreprises de la science contemporaine.
Enfin, ce qui ne gâche rien, c’est qu’elle nous réserve bien des surprises aussi bien dans les découvertes que dans les résultats d’observations réalisées pour la première fois. Voilà où se niche le grand frisson de la découverte et qui survient quand on interroge les richesses de l’Univers.
Quasar et lentille gravitationnelle
L’effet de lentille gravitationnelle ne produit pas seulement des images multiples. Il peut aussi concentrer et amplifier la lumière d’un quasar, de sorte qu’il apparaît plus brillant qu’il n’est en réalité. Ce rôle est à souligner. Les champs de gravitation agissent de manière analogue aux systèmes optiques de lentilles et miroirs.
Depuis l’éclipse de Soleil de 1919, quand des astronomes observèrent pour la première fois un déplacement apparent de la position des étoiles proches du limbe solaire, on sait que les rayons lumineux peuvent être déviés, non seulement par des éléments optiques (miroirs, lentilles), mais aussi par des champs de gravité. En fait, cet effet avait été prédit par Einstein dans le cadre de sa théorie de la Relativité générale.
Cette déviation des rayons lumineux est également observée lorsque la lumière émise par un quasar lointain passe à proximité d’un ou plusieurs objets massifs. De tels objets peuvent être, par exemple, des galaxies individuelles ou des amas de galaxies, et sont appelées lentilles gravitationnelles.
En fonction de la masse et de la configuration géométrique des objets composant la lentille gravitationnelle, les rayons lumineux peuvent non seulement être déviés selon plusieurs angles, donnant lieu à des images multiples (mirages gravitationnels) ou quasar, mais, de plus, certaines de ces images peuvent apparaître plus brillantes que le quasar lui-même nous apparaîtrait en l’absence de lentille gravitationnelle.
Cet effet d’amplification nous permet, en principe, d’observer des images de quasars très distants qui seraient, en l’absence d’amplification, trop faibles pour être détectés à l’aide des télescopes actuels. Les lentilles gravitationnelles nous permettent donc d’étudier des régions très éloignées de l’Univers, c’est-à-dire très anciennes et inaccessibles de l’Univers. Il est aussi concevable que le mirage gravitationnel perturbe de manière significative notre vue de l’Univers éloigné. Des observations futures devraient faire plus de lumière sur ce problème fondamental.
Les quasars furent découverts en 1963. Ils font partie d’une classe d’objets d’apparence ponctuelle et animés d’une grande vélocité. Nombre d’astronomes pensent aujourd’hui qu’ils sont les noyaux extrêmement énergétiques de galaxies éloignées. La totalité de l’énergie émise par un quasar (sa luminosité absolue) peut être déterminée en mesurant sa luminosité apparente perçue sur Terre et à partir de sa distance, puisque l’intensité de la lumière mesurée décroît comme le carré de la distance.
Depuis quelques années, un groupe international d’astronomes recherche des lentilles gravitationnelles en étudiant des quasars sélectionnés avec une luminosité absolue particulièrement élevée. Supposant que certains d’entre eux apparaissent plus brillants qu’ils ne le sont en réalité à cause de l’effet de lentille gravitationnelle, ils s’attendaient à ce que, après des observations plus proches, certaines des images des quasars s’avèreraien être doubles ou multiples.
Ce groupe international d’astronomes et d’astrophysiciens est conduit par une équipe liégeoise du Laboratoire d’Astrophysique extragalactique de l’Institut d’Astrophysique et de Géophysique de l’Université de Liège, aujourd’hui constitué de Jean Surdej, Eric Gosset, Damien Hutsemékers, Pierre Magain, Marc Remy, Jean-Pierre Swings, Eddy van Drom, Olivier Hainaut, Alain Smette et Benoît Pirenne. Les autres équipes sont françaises, allemandes et américaines. (2)
Cent millions de millions de Soleil ?
Le quasar Q1208+1011, de magnitude 17,5 dans le coin N-O de la Constellation de la Vierge, a été découvert en 1986. A cette époque, il s’agissait de l’objet le plus éloigné connu dans l’Univers. Avec un décalage vers le rouge (3) de 3,8, correspondant à une distance d’environ 16 milliards d’années de lumière (si l’on suppose à l’Univers un âge de 20 milliards d’années), on a découvert que sa luminosité absolue n’était pas moins de 100.000 milliards de fois celle du Soleil.
Voilà une production incroyablement haute d’énergie. C’est I’équivalent de 1023 (1 suivi de 23 zéros) bombes à hydrogène d’une mégatonne chaque seconde, ou la complète transformation d’une masse Terre en énergie pure toutes les 14 secondes. Cette immense énergie pourraît être produite par un trou noir extrêmement massif au centre du quasar.
Soupçonnant finalement que Q1208+1011 apparaissait partiellement être si brillant à cause de I’amplification gravitationnelle, les astronomes l’ont mis sur leur liste d’observation avec plus de 150 autres quasars brillants. Chacun d’entre eux avait été entretemps observé avec des télescopes à haute résolution à La Silla et ailleurs. On a montré que cinq d’entre eux avaient des images multiples et 14 autres sont suspectés d’être multiples. Par conséquent, I’effet de lentille gravitationnelle se trouve être un phénomène plus courant que ce qu’on ne pensait jusque là.
On a obtenu une premibre image de Q1208+1011 déja en avril 1987, mais ce n’est qu’en mai 1991 qu’une analyse minutieuse indiqua que ce quasar pouvait être double, selon le developpement d’un programme informatique d’images plus performantes réalisé par le groupe.
Une autre image fut obtenue au telescope de 2,2 m de I’ESO/MPI à La Silla, au début de juillet 1991. Son analyse montra alors clairement deux images séparées de 0,45 seconde. L’objet le plus brillant est situé à peu près au nord de l’autre et est environ 3,5 fois plus brillant. Un groupe americain a depuis obtenu une image de Q1208+1011 avec le Télescope spatial Hubble.
Cette image a été analysée par le groupe international immédiatement, bien qu’elle fut obtenue bien en dessous des conditions optimales (sans guidage du télescope). Elle confirme pleinement les données de base obtenues au sol. (Voir l’illustration).
Mirage gravitationnel ou quasar binaire ?
Q1208+1011 est le quasar le plus distant dont on a découvert que l’image était double. Ces deux images ont aussi la plus petite séparation angulaire parmi les quelques quasars connus ayant des images multiples. Mais cela pourraît ne pas étre un quasar binaire. Cela pourraît être deux quasars différents qui sont très proches l’un de l’autre dans l’espace et dont les images peuvent être vues par conséquent dans la même direction.
Ce phénomène ne peut être mis au clair qu’en obtenant des spectres individuels des deux images. S’ils sont différents, il pourrait s’agir d’un quasar binaire. S’ils sont complètement identiques, les deux images sont celles du même objet et elles peuvent être l’effet d’un mirage gravitationnel. Cependant. une telle observation est extrêmement difficile à cause de la très petite séparation entre les deux images.
Le spectre combiné de Q1208+1011 montre plusieurs raies d’absorption, causées par I’hydrogène, le carbonne, le silicium, I’aluminium, le magnésium et le fer dans plusieurs galaxies, et situées le long de la ligne de visée de Q1208+1011, approximativement au 3/4 de la distance du quasar. L’une d’elles peut être la cause de l’effet de mirage.
L’importance de Q1208+1011
La découverte d’un quasar double à cette énorme distance est très excitante. Q1208+1011 va être étudié avec différentes techniques comprenant des optiques adaptatives et l’interférométrie pour la source la plus petite.
Les astronomes ont l’intention d’utiliser le télescope NTT (Télescope de Nouvelle Technologie) de l’ESO à La Silla, le Télescope optique nordique à La Palma et le télescope Canada-France-Hawaï du Mauna Kea à Hawaï, pour obtenir des images haute résolution. De la sorte, ils espèrent obtenir des spectres individuels des deux images, lesquelles posent la question de la nature de Q1208+1011.
Si Q1208+1011 est un quasar binaire, il nous fournira une occasion unique d’étudier un objet extrêmement rare (on n’en connaît qu’un seul) juste après sa formation dans l’Univers jeune.
Les deux images seront surveillées durant les années à venir de manière à déceler d’éventuelles variations d’intensité. S’il s’agit d’une lentille gravitationnelle comme on le croit plus vraisemblablement aujourd’hui, n’importe quel changement de luminosité dans une image est suivi d’un changement similaire de la seconde image après quelque temps. L’interval de temps détermine avec précision la différence de position des deux faisceaux.
A partir de la séparation observée des deux images et le rapport des distances du mirage gravitationnel et du quasar, il est alors possible de déterminer la distance au quasar en km. Cela permettra une détermination indépendante sur une très large échelle de la constante universelle de Hubble qui décrit l’ expansion et, par consequent, I’âge de l’Univers. Ce serait là un résultat extrêmement important.
Cela signifiera aussi qu’on pourra voir des fluctuations de lumière rapides, lesquelles sont causées par un effet de “micro-lentilles” lorsque des objets compacts se meuvent dans la ligne de visée. En théorie, cela devrait permettre la détection d’objets de la taille d’une planète, à plus de 12 milliards d’années de lumière.
La lumière que nous observons maintenant de Q1208+1011 a voyagé jusqu’à nous durant plus de 80 % de l’âge de l’Univers. Nous pourrions par conséquent nous trouver devant un double mirage : I’image déformée d’un objet qui n’existe peut-être plus ! Nous serions donc, alors, en présence d’un fossile du debut de I’Univers.
L’expression “Voir les objets les plus lointains” du vendeur de lunettes de la foire de Francfort a bien changé de sens. Aujourd’hui, nous voyons tôt dans le passé. Les astrophysiciens sont aussi des archéologues.
L’histoire de l’Univers, tout comme l’histoire de l’homme, n’est intelligible qu’à partir de ses lointains commencements.
Pierre Bastin
(1) Albert Van Helden: “The American Philosophical Society”, 1977.
(2) Ce Laboratoire d’Astrophysique extragalactique a été crée au début des années 80. On lui doit la découverte du quasar Q0046-293 (La Wallonie du 18/3/87), la découverte de la première lentille gravitationnelle “européenne” (Jean Surdej, Jean-Pierre Swings et Pierre Magain, La Wallonie du 13/11/87); la découverte d’un mirage gravitationnel quadruple (“Trèfle à quatre feuilles”)(Pierre Magain, Marc Remy, Jean Surdej et Jean-Pierre Swings, La Wallonie du 2/8/88).
(3) Le décalage vers le rouge indique la fraction par laquelle les lignes sont décalées vers de plus longues longueurs d’onde dans le spectre d’une galaxie éloignée ou d’un quasar éloigné de nous avec l’expansion de l’Univers. Le décalage vers le rouge observé donne une estimation directe de l’apparente vitesse de récession, laquelle est elle-même une fonction connue (la relation de Hubble) de la distance de l’objet étudié : la vitesse de fuite des galaxies est proportionnelle à leur distancce.
L’amas compact de galaxies EMSS 2137-23 et l’“arc géant” juste au nord de son centre, qui est un effet de lentille gravitationnelle, image déformée et amplifiée d’une galaxie située derrière lui. Cette image est la combinaison de cinq expositions pour un temps total d’exposition de 95 minutes. (© Document ESO)
Ce n’est pas Galilée et sa lunette rudimentaire, ni Newton, l’inventeur du premier télescope, ni même le concepteur du télescope du mont Palomar (Californie), qui auraient pu s’imaginer un seul instant que le jour viendrait où l’astronome n’aurait plus à mettre un œil à son instrument pour observer le Système solaire, ni même à quitter sa table de travail pour scruter l’Univers. Et pour cause.
C’est depuis quelques années seulement, que la possibilité d’observer à distance a pu être envisagée, puis mûrir dans les esprits. L’image de l’astronome, l’œil rivé à sa lunette ou à l’oculaire de son télescope, relève aujourd’hui de l’image d’Epinal. Depuis longtemps, l’astronome enregistre des images et les traite sur ordinateur. Pour se faire, l’obligation subsistait d’être sur le site même de l’observation. L’avènement du courrier électronique permet aux scientifiques de traiter et d’analyser, de leur bureau, les images enregistrées par les télescopes.
Restait le rêve d’arriver à commander, de son fauteuil, les télescopes à distance, sans devoir passer par des astronomes installés sur place en permanence. Ce rêve est aujourd’hui une réalité, pour quelques-uns en tout cas. La pratique ira bien évidemment en se généralisant.
Observations étendues depuis Trieste
Des astronomes de l’ESO (Organisation Européenne pour les Recherches Astronomiques dans l’Hémisphère Austral) ont réalisé leur “première” en faisant une découverte ! Rester en Italie, regarder au moyen d’un télescope installé au Chili et observer un mirage cosmique situé à cinq milliards d’années de lumière, c’est la performence réalisée par des astronomes italiens, travaillant depuis l’Observatoire astronomique de Trieste. Ils ont amélioré des observations à distance en utilisant le télescope de technologie nouvelle “New Technology Telescope” (NTT) de 3,5 mètres de l’ESO installé sur le site de La Silla au Chili.
C’est la première fois que de telles observations sont réalisées directement depuis un Institut astronomique situé dans un des huit pays membres de l’ESO. Et, de façon presque imprévue, un mirage cosmique produit par une lentille gravitationnelle, a été découvert, durant ces observations, dans un amas éloigné de galaxies.
Ceci s’est passé en juin dernier. Durant trois nuits, des observations à distance très réussies ont été réalisées au moyen du NTT depuis Trieste, via une liaison complexe. Le système expérimental mis en place fut d’une telle fiabilité que huit astronomes furent en mesure d’effectuer des observations durant presque trente heures et d’obtenir un grand nombre de données de premier intérêt.
Les astronomes italiens avaient un contrôle complet du télescope, sans aucune intervention de l’équipe en poste à La Silla. Ils ont obtenu, en retour, des données d’observation complètes par cable, immédiatement après chaque exposition.
La réussite du test de ce nouveau système d’observations à distance, on s’en doute, à de formidables implications. Dans un futur qui n’est plus très lointain, des scientifiques, dans des Instituts d’Astrophysique des pays membres de l’ESO dont la Belgique fait partie, auront le loisir de rester dans leur propre Institut tout en ayant la possibilité de faire des observations en utilisant les télescopes de l’ESO au Chili.
L’expérience de Trieste a été exécutée avec un nouveau système de contrôle à distance, développé en étroite collaboration entre l’ESO et l’Observatoire de Trieste. Il comprenait des ordinateurs de contrôle à Trieste, une ligne de données reliée au siège général de l’ESO à Garching, près de Münich, et à son satellite permanent ESO-Europe, lui-même connecté avec l’Observatoire de l’ESO à La Silla au Chili, à plus de 12.000 km de là.
Depuis 1987, des observations à distance sont régulièrement effectuées depuis Garching avec deux autres télescopes de La Silla. Le NTT peut aussi être contrôlé à distance depuis Garching au moyen d’un nouveau système qui, selon ses utilisateurs, est identique à celui qui vient d’être testé à Trieste. Plusieurs jeunes astrophysiciens liégeois ont déjà eu l’occasion de vivre cette expérience tout à fait passionnante. (*)
L’ESO projette maintenant d’améliorer les tests comme ceux réalisés à Trieste avec d’autres Instituts européens dans la perspective de donner à ces Instituts la possibilité d’utiliser, avec une efficacité maximale, le futur Very Large Telescope (VLT) de 16 mètres, le plus grand et le plus puissant télescope optique du monde, aujourd’hui en cours de construction sur le mont Paranal au Chili et qui devrait être opérationnel avant l’an 2000.
Un mirage gravitationnel
Bien que les observations effectuées avec le NTT depuis Trieste ont d’abord servi à tester la fiabilité technique du système de contrôle à distance, l’expérience, étant optimal, permit d’effectuer de véritables observations dans le ciel austral.
C’est ainsi que l’équipe italienne a observé un amas distant de galaxies, connu sous le nom de EMSS 2137-23 et situé dans la constellation méridionale du Capricorne. Cet amas émet un rayonnement relativement important dans la longueur des rayons X. Des analyses spectroscopiques ont révélé que cet amas se trouve à quelque 5 milliards d’années de lumière et s’éloigne de nous à une vitesse d’environ 80.000 km/s. Cette vitesse est en concordance avec les théories de l’expansion de l’Univers. Ce qui veut dire que la lumière enregistrée par le NTT a été émise par les galaxies de cet amas, il y a environ 5 milliards d’années de lumière, c’est-à-dire au moment de la naissance de notre Système solaire.
Massimo Ramella et Mario Nonino de l’Observatoire de Trieste, avec Dan Fabricant, du Centre d’Astrophysique de Cambridge, dans le Massachusetts (USA), avaient observé, précédemment, le spectre d’environ 50 galaxies de cet amas EMSS 2137-23 et mesuré leur vitesse individuelle.
Saisissant l’opportunité de pouvoir travailler avec le NTT que beaucoup considèrent comme étant, présentement, le meilleur télescope optique au monde, les deux astronomes italiens décidèrent de nouvelles observations de cet amas depuis la salle de contrôle de Trieste. Ils envoyèrent les commandes d’orientation du NTT sur cet objet et réalisèrent plusieurs expositions qui furent immédiatement renvoyées à Trieste sous forme digitalisée pour être traitées sur ordinateurs.
A leur grande surprise, les astronomes notèrent une étrange structure courbe, une sorte d’“arc”, juste au nord de la région centrale de l’amas. (Voir notre illustration). Cette image particulière put être rapidement identifiée comme étant un effet de lentille gravitationnelle, c’est-à-dire l’image d’une galaxie très éloignée, image déformée et amplifiée par effet gravitationnel produit par un autre objet se trouvant devant lui.
Un examen plus pointu a permis de révéler une structure en deux parties et l’existence de nombreux autres petits “arcs”. Avec les analyses des observations dans les longueurs d’ondes optiques et dans celles des rayons X disponibles et détaillées, l’arrangement géométrique exact des “arcs” donne le champ gravitationnel et, par conséquent, la distribution de la matière visible et invisible dans l’amas EMSS 2137-23.
L’arc principal est suffisamment brillant pour permettre des observations spectroscopiques. Elles sont aujourd’hui plannifiées et permettront de déterminer la distance et la nature de la galaxie très éloignée, si faible, qu’il est pratiquement impossible de l’observer s’il n’y avait cet effet de lentille gravitationnelle.
Quand les astronomes de Trieste ont transmis leurs observations, ils apprirent que d’autres observations avaient déjà été réalisées avec le NTT, en 1991, par un autre groupe de scientifiques, conduit par l’astronome français Bernard Fort, effectuées depuis la salle de contrôle du NTT à La Silla, et étaient en cours de publication.
Cette expérience de Trieste, réussie dans ses applications techniques et scientifiques, permet les plus grands espoirs quant à la qualité même des observations astronomiques à distance. L’Univers dans un fauteuil a définitivement quitté le domaine du rêve.
Pierre Bastin
(d’après un document de l’ESO)
(*) L’un d’eux, Pierre Magain, est l’invité de la Société Astronomique de Liège pour sa conférence mensuelle de ce vendredi soir à 20 h, à l’Institut d’Astrophysique et de Géophysique de l’Université de Liège. Pierre Magain fera, à cette occasion, un exposé général sur les mirages gravitationnels et détaillera le travail de l’équipe d’astrophysiciens liégeois qui a acquis une renommée mondiale dans ce domaine de pointe. (Voir nos éditions de ce mercredi 25 novembre en page 10).
L’information que nous transmet l’Agence Spatiale Européenne (ESA) est pour le moins surprenante et nous enthousiasme au plus haut point. En effet, le Télescope spatial Hubble (HST), mission conjointe de l’ESA et de la NASA, a pris, il y a peu, une image en miroir spectaculaire d’une galaxie très lointaine. Ce qui est intéressant, c’est que ces observations pourraient fort bien dévoiler les secrets du fameux mystère de la matière obscure qui intriguent tant les astronomes et ce, depuis des décennies.
Le Hubble Space Telescope a enregistré une image à travers un énorme amas de galaxies plus proche, situé à quelque quatre milliards d’années de lumière. La pesanteur de cet amas produit l’effet d’une “loupe” naturelle, courbant, concentrant et focalisant la lumière de la galaxie lointaine en donnant plusieurs images dont chacune est plus grande et plus brillante que si celle-ci était observée directement.
Cette rare combinaison des puissants miroirs du télescope Hubble et de ce “téléobjectif” naturel fournit aux astronomes des informations neuves sur la nature des galaxies lointaines. Si c’est une première pour le HST, ce phénomène dit de lentille gravitationnelle qui, pour l’observateur, donne des apparences doubles, triples, voire quadruples de certains objets très lointains comme les quasars (objets quasi stellaires très éloignés dans l’Univers, de dimension apparente faible mais émettant une luminosité considérable de l’ordre de celle qu’auraient 100 à 1.000 galaxies, les quasars seraient des noyaux de galaxies contenant un trou noir) et provoque ce qu’on appelle un mirage gravitationnel, est étudié depuis plusieurs années déjà au moyen des télescopes terrestres.
Cela dit, l’étude de la façon dont la lentille courbe la lumière permet également aux chercheurs d’en déduire la quantité et l’emplacement de la mystérieuse “matière obscure” qui, pense-t-on, constitue l’essentiel de la masse de l’amas.
Les astronomes estiment qu’au moins 90 % de l’Univers sont constitués de matière qui n’émet aucune radiation pouvant être détectée au moyen des instruments actuels. Même si la matière ne peut être observée directement, le phénomène de lentille gravitationnelle constitue un instrument puissant dans la recherche de la matière obscure.
“Les images prises au sol nous avaient déjà enseigné que cet amas de galaxies pouvait produire l’effet d’une lentille gravitationnelle”, explique Richard Ellis, de l’Université de Durham (Angleterre). L’élément remarquable de ces nouvelles données réside dans le fait que nous pouvons étudier de façon détaillée les galaxies en arrière-plan en combinant le phénomène de lentille et l’excellente qualité d’image qu’autorise le HST. Cette combinaison particulière nous a permis de mesurer très précisément l’effet de courbure de la lentille et d’établir ainsi la répartition de la matière dans l’amas, que celui-ci émette ou non de la lumière."
Richard Ellis et les chercheurs qui lui sont associés, le Dr. Warrick Couch (Université des Nouvelles Galles du Sud, Australie), le Dr. Ray Sharples et Ian Smail (Université de Durham), ont fait cette découverte en observant l’amas dénommé AC114 au cours de l’une des premières expositions de longue durée au moyen de la caméra à grand champ du HST.
Deux expositions de six heures ont fait apparaître une paire surprenante d’objets faiblement lumineux à proximité du centre de l’amas. A chaque image est associée une structure à peine visible.
Ces structures présentent une symétrie en miroir parfaite, prévisible s’il s’agit de deux images de la même source passant par une lentille. Les images sont inhabituellement éloignées l’une de l’autre pour un système à lentille, ce qui donne à penser qu’AC114 a un noyau massif et dense.
“En dépit de leur important éloignement, le haut niveau de symétrie et les couleurs quasi identiques des objets témoignent avec une forte probabilité qu’il s’agit d’images de la même source, ce qui conforte l’hypothèse que nous avons découvert une lentille très massive”, explique encore Richard Ellis.
“Nous pensons que nous observons une galaxie lointaine, très faiblement lumineuse, traversant une période énergétique de formation stellaire. Nous avons cru tout d’abord que nous avions une chance exceptionnelle de pouvoir observer un phénomène aussi spectaculare lors de la première exposition de longue durée faite avec Hubble, mais nous pensons d¢sormais que nous pourrons observer des images multiples, fortement grossies, du même ordre lorsque le véhicule spatial sera pointé sur le centre d’autres amas massifs”.
Un zoom dans l’espace
Il est bon de se souvenir que c’est Albert Einstein qui a été le premier à observer que les champs gravitationnels infléchissent la lumière aussi bien que la matière. “Le champ gravitationnel d’un objet massif (…) comme un amas de galaxies (…) courbera les rayons lumineux de sources plus lointaines observées à proximité du centre de l’amas”.
Ce phénomène a pour effet de déplacer leurs positions apparentes et de modifier en les grossissant leurs formes et leur éclat. Plus grande est la masse de l’amas, plus important sera son effet. Si l’amas est suffisamment dense, il peut donner plusieurs images d’un seul objet lointain.
Les systèmes à lentilles multiples donnent aux astronomes un puissant moyen d’étudier la forme du champ gravitationnel de la lentille. Richard Ellis et ses collègues ont mis au point des modèles numériques basés sur la théorie d’Einstein.
Partant de l’emplacement et des formes des deux premières images, nous explique l’ESA, ils peuvent prédire l’existe et l’emplacement d’images supplémentaires. La couleur singulièrement bleue et la morphologie peu commune de la source leur ont permis de découvrir une troisième image plus pâle. Cette observation et celle d’éventuelles images supplémentaires ayant des positions similaires permettront au groupe d’affiner son modèle de lentille. Son objectif est de le rendre suffisamment précis afin d’établir les distances et les particularités de centaines de galaxies très faiblement lumineuses observ¢es à travers l’amas.
Ces objets ne sont pas, et de loin, suffisamment lumineux pour pouvoir leur appliquer les techniques traditionnelles de télémétrie, mais ils promettent de révéler la nature des tout premiers temps de l’Univers. “Exactement comme en optique solaire, explique Richard Ellis, lorsque vous connaissez les propriétés de base d’une lentille, vous pouvez étudier les images qu’elle produit et en déduire la distance des sources”.
La quête de la matière obscure
Il est bon de savoir que même si l’on ne peut voir la matière obscure, son existence a pu être déduite grâce à son influance gravitationnelle sur les mouvements de galaxies en amas. Les amas comme AC114 ne sont pas seulement des outils d’observation très précieux des galaxies situées aux limites de l’Univers, leurs caractéristiques en tant que lentille montrent égalemnt combien de matière obscure ils contiennent.
Le plus important réside dans le fait que cette quantité peut être mesurée directement par l’effet de lentille gravitationnelle. Le modèle de Richard Ellis pour AC114 constitue une nouvelle mesure importante de la quantité de matière obscure, mesure qui concorde avec les estimations antérieures fondées sur les mouvements des galaxies qui le composent.
Il est vrai que l’on peut également penser que la matière obscure est plus concentrée au centre de l’amas que les galaxies prises individuellement. Cette observation est alors en contradiction avec les prévisions des modèles selon lesquels la matière obscure est constituée de particules subatomiques sans interaction entre elles.
Le groupe de chercheurs projette d’élargir ses travaux à d’autres amas situés à des distances différentes, ce qui leur permettra de sonder l’Univers à des moments différents du passé lointain (en raison de l’effet de la durée de parcours de la lumière; on connaît l’expression célèbre de l’astrophysicien Hubert Reeves : “Plus on voit loin, plus on voit tôt” dans l’évolution de l’Univers). De telles observations leur permettront de suivre l’évolution de la matière obscure et de la matière visible de façon indépendante.
“Nous nous proposons de tirer parti de la qualité exceptionnelle des images du HST pour rechercher des systèmes de lentilles similaires dans d’autres amas richement fournis”, conclut Richard Ellis. Par ce moyen, nous serons en mesure d’observer directement les modifications de structure des amas au cours de leur évolution et de leur croissance dans l’Univers".
Une équipe liégeoise
C’est pour nous l’occasion de rappeler que l’Institut d’Astrophysique et de Géophysique de l’Université de Liège comporte un Laboratoire d’Astrophysique Extragalactique qui, sous la conduite de Jean Surdej, s’est spécialisé dans l’étude des lentilles gravitationnelles.
On peut rappeler que son 24e Colloque international d’Astrophysique, des 21 au 24 juin 1983, était consacré aux “Quasars et lentilles gravitationnelles”. On doit également à cette équipe liégeoise (Jean Surdej, Pierre Magain, Marc Remy et Jean-Pierre Swings) deux premières :
L’Institut d’Astrophysique de Liège consacrera son prochain colloque international, début de l’été 1993, une nouvelle fois, aux lentilles gravitationnelles.
Pierre Bastin
Des rayons lumineux issus d’un quasar distant et passant au voisinage d’une galaxie massive
subissent une déviation exercée par cet objet qui agit comme une lentille optique.
Pour l’observateur, il en résulte la formation d’un mirage dit gravitationnel, composé,
dans le cas illustré ici, de trois images du même quasar.(© Institut d’Astrophysique de Liège)
Depuis 1949, l’Institut d’Astrophysique de l’Université de Liège, aujourd’hui mondialement connu, a organisé trente colloques internationaux sur les sujets les plus importants de la cosmologie moderne. La 31e édition de cette réunion scientifique se tient du 21 au 25 juin à l’Observatoire de Cointe et réunit une centaine de spécialistes autour d’un des sujets les plus passionnants de cette dernière décennie : “Lentilles gravitationnelles dans l’Univers”, une des spécialités de notre Institut.
Il n’est pas inutile de le rappeler. L’Institut d’Astrophysique et de Géophysique de l’Université de Liège, créé il y a environ 110 ans, est connu du monde entier, non seulmenent pour ses recherches et ses enseignements mais aussi par ses séminaires et ses colloques internationaux.
Depuis 1949, l’Institut liégeois a organisé 30 colloques internationaux du plus haut niveau (celui de 1990 comptait deux Prix Nobel parmi les intervenants). Ils ont lieu deux années consécutives sur trois, la troisième année étant réservée à la réunion de l’Assemblée générale de l’Union Astronomique Internationale.
L’Institut d’Astrophysique de Liège, qui compte actuellement quelque quatre-vingt personnes dont cinquante-cinq chercheurs, est, de façon indiscutable, le principal centre d’enseignement et de recherches en astrophysique de Belgique.
Ses activités couvrent presque tous les aspects de l’astrophysique contemporaine, ce qui place nettement Liège sur la carte du monde des institutions astrophysiques.
Son 31e colloque international qu’il organise du 21 au 25 juin à l’Observatoire de Cointe en est encore une belle illustration. Son thème “Lentilles gravitationnelles dans l’Univers” est un sujet qui est à la base d’un programme-clé de l’Observatoire Européen Austral (ESO) dont les Liégeois sont les “principal investigators”.
Depuis 1986, sous la conduite de Jean Surdej, une équipe d’astrophysiciens liégeois, qui depuis a pris le nom de “Equipe de Recherche Extragalactique”, s’est spécialisée dans la découverte et l’étude des mirages gravitationnels, ces étranges images qui nous arrivent amplifiées, déformées et/ou multipliées des confins de l’Univers, sorte d’illusions optiques à l’échelle cosmique.
Faire soi-même l’expérience
Par analogie aux mirages atmosphériques dus à une déviation lumineuse causée par des différences de température de l’air, on appelle “mirages gravitationnels” des images doubles ou multiples d’un même objet lointain dans l’Univers (par exemple un quasar), objet dont les rayons lumineux sont déviés et amplifiés par un autre objet massif, (par exemple une galaxie), se trouvant devant lui, dans la ligne de visée d’un observateur. Cette galaxie qui vient s’interposer entre l’observateur et le quasar fait effet de lentille, d’où son nom de lentille gravitationnelle.
Rappelons que les quasars sont des objets quasi stellaires très éloignés dans l’Univers, de dimension apparente faible mais émettant une luminosité considérable de l’ordre de celle qu’auraient 100 à 1.000 galaxies.
Le dessin que nous publions ci-dessus est explicite. Mais, si vous voulez encore mieux comprendre ce phénomène ou le faire comprendre à vos enfants, tout en les amusant, il vous suffit d’une lampe de poche que vous occultez à l’aide d’un morceau de papier sombre au centre duquel vous aurez préalablement percé une petite ouverture. Ce sera votre “quasar”.
Il vous reste à vous munir de la base d’un pied de verre à vin (vous avez bien un vieux verre ébréché qui attend d’être brisé). Ce sera votre galaxie.
Vous vous mettez à environ 1,5 mètre de votre lampe de poche allumée (un peu de tâtonnement sera sans doute nécessaire) et, tout en fixant le point lumineux qu’elle émet, vous placez la base du pied du verre à vin dans votre ligne de visée. A peu de frais, vous aurez une belle illustration de l’effet de lentille gravitationnelle.
Le présent colloque est placé sous la présidence du professeur Sjur Refsdal, des Observatoires d’Hambourg (Allemagne) et d’Oslo (Norvège), véritable pionnier dans le domaine de l’optique gravitationnelle. Le colloque regroupe une centaine de spécialistes provenant de 19 pays : Allemagne, Angleterre, Australie, Belgique, Canada, Chine, Danemark, Espagne, Etats-Unis, France, Pays-Bas, Inde, Irlande, Israël, Japon, Norvège, Pologne, Russie et Ukraine.
Trois découvertes sur sept
Le comité scientifique d’organisation comprend les professeurs S. Refsdal, J. Henrard (Facultés Notre Dame de la Paix à Namur) et R. Simon (Institut d’Astrophysique de Liège). Le comité local présidé par Jean Surdej comprend Denise Fraipont (secrétaire), E. Gosset, D. Hutsemékers, Pierre Magain, O. Moreau, A. Pospieszalska-Surdej, M. Remy, A. Smette, Jean-Pierre Swings et E. Van Drom.
Depuis 1987, on doit à cette brillante équipe liégeoise un certain nombre de résultats fructueux : trois parmi les sept quasars actuellement reconnus comme mirages gravitationnels ont été identifiés par les astrophysiciens liégeois, dans le cadre d’une collaboration scientifique internationale dirigée depuis l’Institut d’Astrophysique de Liège :
A quoi sert leur étude ?
Mais à quoi cela sert-il d’étudier les mirages gravitationnels, ces phénomènes nuisibles qui perturbent notre vue de l’Univers lointain ? La question a toute sa pertinence. Leur étude peut servir pour un grand nombre d’applications.
Les mirages gravitationnels peuvent nous permettre de déterminer la dimension et l’âge de l’Univers, une donnée fondamentale de la cosmologie. Ils permettent aussi d’étudier la structure à grande échelle de l’Univers. Ils peuvent dévoiler la structure des quasars et leur fonctionnement intime.
Enfin, ils peuvent permettre l’étude de la matière obscure, matière qui échappe encore à notre détection et à notre compréhension, mais qui constitue les neuf dixièmes de la masse totale de l’Univers.
Ces questions passionnantes seront au cœur de ce colloque international éminemment liégeois.
Pierre Bastin
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.
(Press Release 04/96 © ESO)
Traduction : Michèle Marchal
(1) Le groupe est constitué de Jean-François Claeskens, Jean Surdej et Marc Remy (Institut d’Astrophysique, Université de Liège, Belgique); Jean Surdej est aussi affilié au Space Telescope Science Institute, c/o ESA, Baltimore, Maryland.
(2) Les autres systèmes sont: UM673 A & B, H1413+117 A-D, UM425 A & B, Q1208+1011 A & B, HE1104-1805 A & B. Dans cinq cas, on voit deux images du même quasar; H1413+117 n’en a pas moins de quatre.
(3) Supposant que HO = 60 km/s/Mpc et qO = 1/2; 1 billion = 1000 millions.
Malgré son handicap, (myopie relative de son télescope primaire), le Hubble Space Telescope continue de faire du bon travail. Il y a peu, il apportait de nouvelles indications sur l’histoire mouvementée de la galaxie particulière NGC 1275, située à 200 millions d’années de lumière. Il permit ainsi aux astronomes de découvrir au centre de cette galaxie une cinquantaine d’objets brillants qui se sont révélés être des amas globulaires jeunes et massifs. La surprise vient du fait que les amas globulaires habituels figurent parmi les objets les plus anciens de l’Univers.
Fin 1990, le HST avait mis en évidence un anneau lumineux autour de la supernova du grand Nuage de Magellan. Cet anneau est constitué de matière éjectée par le progéniteur de la supernova à la fin de sa vie, éclairé par la lumière de l’explosion. Arrêtons-là ce relevé pour prendre connaissance d’une de ses dernières trouvailles.
En effet, le Hubble Space Telescope vient à présent de révéler l’existence d’un jet énergétique tout aussi inhabituel que fascinant dans le noyau de la galaxie elliptique NGC 3862. (Une classification de type morphologique donne trois grandes catégories de galaxies : elliptiques, spirales (barrées ou non) et irrégulières. Certaines galaxies particulières comportant un certain nombre d’anomalies pourraient se trouver dans certaines phases d’activité de leur évolution). Les galaxies elliptiques ont l’aspect de sphéroïdes plus ou moins aplatis. Elles constituent quelque 15 % de l’ensemble des galaxies.
“Il semble que nous soyons en train d’observer une nouvelle classe de phénomènes” devait déclarer le Dr. Philippe Crane de l’ESO (Organisation Européenne pour les Recherches Astronomiques dans l’Hémisphère Austral) en découvrant ce fameux jet optique, en étudiant les images renvoyées par la caméra pour objets faibles, (Faint Object Camera) instrument réalisé par l’Agence Spatiale Européenne (ESA). “Un tel jet était totalement inattendu dans cette galaxie. C’est vraiment typique du genre de découvertes que l’on est en droit d’attendre du télescope HST.”
Retenons que l’Agence Spatiale Européenne contribue aux activités du Space Télescope Science Institut (STSI) créé par la NASA sur le campus universitaire Johns Hopkins à Baltimore, dans le Maryland, ainsi qu’au fonctionnement de l’Installation européenne de coordination établi à l’ESO.
En retour de cette participation de l’ESA au programme de télescope spatial, les astronomes et astrophysiciens européens ont reçu en compensation 15 % du temps total d’observation au Hubble Space Telescope.
La Faint Objet Camera
La Faint Objet Camera (FOC) est l’un des cinq instruments scientifiques placés au plan focal, en arrière du miroir primaire de 2,40 m du télescope spatial. C’est la “chambre pour objets faibles” destinée à l’étude et à la prise d’images d’objets célestes très faiblement lumineux, jusqu’à la 29e magnitude (nombre qui caractérise l’éclat apparent d’un astre, plus le nombre est élevé et plus l’éclat est faible).
Elle est aussi utilisée pour l’étude de structures peu lumineuses proches d’objets brillants, pour les études astronomiques d’objets brillants et pour la spectroscopie de sources extragalactiques très éloignées.
On s’en rappellera peut-être, la FOC et ses deux détecteurs : le “Photon Detector Assembly” et le “Detector Head Unit” ont été testés par le Centre Spatial de Liège (ex IAL Space), Centre de recherche de l’Université de Liège. Ce Centre jouit du stutut priviligié d’être l’une des quatre facilités coordonnées de tests de l’Agence Spatiale Européenne.
La FOC comporte un dispositif optique qui permet de focaliser la lumière faible émise par un corps céleste sur une cathode sensible à la lumière. Chaque photon, c’est-à-dire le plus faible quantum d’énergie lumineuse est converti en électron qui est accéléré, focalisé et multiplié à l’aide de champs électrique et magnétique, de façon à venir frapper un écran sur lequel, par phosphorescence, ils créent un petit point lumineux.
Ce point est ensuite imagé sur une caméra de télévision à haut gain. L’amplification totale d’une telle chaîne est de l’ordre de un million. Ce dispositif d’imagerie à comptage de photons a l’avantage d’éliminer le bruit de fond et de permettre des temps de pose pouvant atteindre dix heures, ce qui autorise l’enregistrement d’images d’objets de très faible luminosité.
L’image de ces impacts est ensuite dirigée vers un microprocesseur programmé pour mémoriser l’emplacement de chacun de ces points. De cette manière, la mémoire électronique élabore progressivement une image complète de la lumière faible, à partir de 250.000 éléments d’images et révèle ainsi des sources encore jamais détectées.
Ces deux détecteurs dont l’un est un spectrographe, peuvent apporter une multitude d’informations ausssi bien sur la composition chimique, la température, la distance que sur le mouvement propre et la vitesse de l’objet céleste observé.
Le jet le plus court et le plus éloigné
NGC 3862 est la sixième galaxie la plus brillante dans un riche amas de galaxies connu sous le nom Abell 1367, amas situé à une distance d’environ 260 millions d’années de lumière, dans la constellation du Lion.
Les observations précédentes de NGC 3862, prises dans les ondes radio avaient révélé une structure qui ressemblait à un jet qui s’étend sur une très grande distance. NGC 3862 est aussi une source de rayons X.
“Puisque le jet est grand de seulement 0,6 seconde d’arc, (l’équivalent de l’angle en dessous duquel un objet d’un km sur la Lune peut être visible), il aurait été très difficile de le détecter depuis un observatoire au sol”, devait remarquer Philippe Crane. “Le jet est aussi très bien marqué dans l’ultraviolet. Chacune de ses caractéristiques est particulièrement bien exploitée par la FOC, capable de détecter les objets extrêmement faibles”.
NCG 3862 a été observée avec la FOC dans un mode de haute résolution le 25 janvier dernier avec deux filtres. Une exposition, réalisée dans une lumière jaune-verte, révèle la distribution de la population stellaire normalement vieille dans ce type de galaxie.
Les chercheurs s’attendaient à ce que la seconde exposition, prise dans la lumière presque ultraviolette, donne la preuve de l’existence d’une jeune et chaude population stellaire dans le noyau. Cette surprise ne fut cependant pas négative puisqu’elle fut aussi l’occasion pour eux de découvrir le jet optique.
Le phénomène d’éjection
On est encore loin de bien connaître, et surtout de bien comprendre les jets extragalactiques. En partant du postulat que toute énergie est matière et que tout rayonnement est matériel, on pense généralement que ce type de puissante et violente éjection est due à un formidable dégagement d’énergie en provenance du noyau galactique nucléairement très actif.
Ces jets semblent transporter de l’énergie dans un rayon confiné en dehors du noyau de la galaxie. Dès lors, les jets seraient donc la trace du cheminement emprunté par la matière au cours de son émission, pouvant cependant être influencé par une, voire des interactions avec le milieu extérieur. Il ce peut encore que le flot de matière soit sujet à des instabilités.
Il est aussi très probable que le champ magnétique joue un rôle important dans la canalisation et la stabilisation du flot de matière. Enfin, on peut aussi admettre que des gaz et des condensations soient rendus brillants par compression sous l’effet d’ondes de choc. On est aller jusqu’à supposer que des trous noirs super-massifs étaient les “moteurs” de tels jets.
On a déjà observé des jets extragalactiques en longueur d’onde radio dans de nombreuses galaxies actives, mais très peu avaient été observés dans le spectre optique. Les astrophysiciens ne comprennent pas encore pourquoi certains jets sont observés dans le visible et d’autres pas. Ils aimeraient aussi comprendre le rapport entre les émissions radio et optiques.
Le jet de NGC 3862 n’entre pas encore facilement dans le modèle standard des éjections. Ce nouveau jet est, de manière remarquable, différent du jet optique vu dans la galaxie M87 (une galaxie étudiée précédemment en détail par le Hubble Space Telescope et des télescopes au sol dont un de l’ESO, voir notre page “Sciences” du samedi 39 mai : “L’énigme perdue de M87”).
Le jet de NGC 3862 est long d’environ 750 années de lumière, comparé à la longueur de 5.000 années de lumière pour celui de M87. Le jet dans M87 est plus brillant aux longueurs d’onde plus rouges parce qu’il émet des radiations synchrotron rouges (le synchrotron est un rayonnement électromagnétique émis par des électrons en mouvement dans un champ magnétique, ce mécanisme d’émission de rayonnement synchrotron est à l’origine de l’émission radioélectrique de nombreux objets stellaires et galactiques, ce rayonnement fut observé pour la première fois dans des accélérateurs de particules).
Dans le cas de NGC 3862, ce synchrotron est produit par des électrons à grandes vitesses tournant en spirale dans un champ magnétique qui entoure le jet. Le jet est cependant plus brillant dans l’ultraviolet.
Et Philippe Crane de conclure : “On aura besoin d’autres observations pour clarifier la nature de l’émission de ce jet, de sa composition.”
A n’en pas douter, les astrophysiciens sont en présence d’un phénomène nouveau pour eux et inattendu en provenance d’un noyau galactique. C’est tout à fait passionnant. Le fait se confirme. Une nouvelle astronomie est en train de naître.
Pierre Bastin
(D’après des documents de l’ESO
et du Space Telescope Science
Institute de Baltimore)
Soif d’Univers

Réputés pour leur intérêt pour l’espace, les Liégeois ont une double chance, celle de posséder un Institut d’Astrophysique et celle d’avoir une société d’astronomes amateurs.
Créé il y a plus de 115 ans, l’Institut d’Astrophysique et de Géophysique de l’Université de Liège est connu du monde entier, non seulement pour ses recherches et ses enseignements qui couvrent tous les aspects de l’astrophysique et de la géophysique contemporaines, mais aussi par ses séminaires et ses colloques internationaux.
Quant à la Société Astronomique de Liège, elle regroupe les amateurs d’astronomie de la région liégeoise sans distinction de qualification ou de profession. Avec ses neuf cents membres, elle est la société d’astronomie la plus importante de Belgique.
Depuis sa création en 1938, la Société astronomique de Liège (SAL) est le témoin privilégié des grandes découvertes en astronomie. La raison en est simple. Elle est née, elle a grandi et continue de s’épanouir à l’ombre ou, plus exactement, à la lumière du prestigieux Institut.
Tout en respectant son intégrité spécifique de société d’amateurs, la SAL reste en étroite relation, parfois même en interaction, avec ses astrophysiciens, professeurs et chercheurs.
Une bibliothèque richement fournie en ouvrages de vulgarisation est accessible aux membres avant les conférences et les exposés-débats du troisième vendredi de chaque mois.
La SAL, qui permet le prêt d’instruments d’initiation, possède un observatoire à Nandrin, pour l’observation et la photographie, accessible aux membres. Cet observatoire est équipé d’un télescope de 255 mm. Un nouveau télescope (T400) est présentement opérationnel. Des séances d’observation y sont organisées tous les mois.
L’inscription se fait par versement d’une cotisation annuelle individuelle de 20 € (famille : 25 €); membre protecteur : 32 €; étudiant : 15 €, au compte n° 001-1514355-67 de la Société astronomique de Liège, avenue de Cointe, 5, 4000 Liège. Elle donne droit, en plus, à sa revue mensuelle “Le Ciel”.
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