Anneau d'Einstein

Photo d'un anneau d'Einstein prise par le télescope spatial Hubble

En astronomie, un anneau d'Einstein est un cas particulier de lentille gravitationnelle dont la théorie a été élaboré par le physicien Albert Einstein. Il est le résultat de la déformation d’une source lumineuse qui passe à travers une lentille gravitationnelle formée par un objet extrêmement massif, comme une galaxie ou un trou noir, et forme un anneau ou un arc. Cette forme d’anneau ne peut être observé que si les trois objets (l’observateur, la source lumineuse, et l’objet hyper massif), sont alignés.

Historique

En 1916, Einstein publia sa théorie de la relativité générale. Dans cette œuvre, il établit qu’une masse assez grande peut déformer l'espace-temps, et par le fait même la direction de la lumière.

Après avoir fait des calculs pour M. R. W. Mandl, celui-ci demanda à Einstein de publier les résultats de ses calculs, ce qu’il fit. C’est ainsi que le 4 décembre 1936 paru dans la revue Science l’article « Lens-like action of a star by the deviation of light in the gravitaional field », ce qui pourrait être traduit par : action de lentille d’une étoile par déviation de la lumière par champ gravitationnel. Dans cet article, Einstein ouvre la possibilité que la lumière d’une étoile A puisse être déviée par une étoile massive B, formant un cercle lumineux autour de l’étoile, pour un observateur situé exactement en ligne avec les deux étoiles. Einstein croyait ces cercles lumineux n’existaient que théoriquement et que les observer serait pratiquement impossible. Il écrit : « Bien sûr, il n’y a aucun espoir d’observer ce phénomène directement. Premièrement, nous ne pourrons probablement jamais nous approcher assez près d’une telle ligne centrale. Deuxièmement, l’angle β [soit le rayon angulaire de l’anneau autour du centre de l’étoile qui dévie la lumière de la première étoile] défiera le pouvoir de résolution de nos instruments. » De plus, puisque le cercle lumineux et l’étoile sont extrêmement proches, tout ce que l’on pourrait observer c’est que l’étoile B est plus lumineuse qu’elle ne l’est réellement.

En 1937, Fritz Zwicky a proposé l’idée que les nébuleuses extragalactiques seraient plus propices à la création d’une lentille gravitationnelle qu’une seule étoile.

Première observation

La première observation d’un anneau d'Einstein fut faite par un groupe de scientifiques sous la direction de Jaqueline Hewitt du MIT en 1987. En effet, lors d'observation au VLA, ils remarquèrent que l'objet nommé MG1131+0456v présentait une forme ovoïde inhabituelle. Plusieurs explication de ce phénomène furent avancé mais seulement celle d'Einstein fut retenue. En fait, il s'agirait d'une émission radio d'un quasar qui passerait par une lentille gravitationnelle entre le Terre et la galaxie.

Principe physique

Formation

Afin qu'un anneau d'Einstein soit visible, il faut que l'observateur, la lentille ainsi que la source se trouvant derrière la lentille soit parfaitement alignés et que l'observateur soit assez près du point où se forme l'image de l'objet.

Principe de fonctionnement

Schéma d'anneau d'Einstein

Selon la théorie de la relativité générale ainsi que la théorie de la lumière corpusculaire, la lumière suit la courbature de l’espace-temps, ainsi si une raie de lumière passe dans le champ gravitationnel d’un objet massif tel une étoile, elle est déviée. Ce qui veut dire que la lumière provenant d’une étoile ou d’une galaxie serait dévié vers un observateur comme le ferait une lentille. Il est à noter que l’effet de lentille affecte seulement la direction des raies de lumières et non leurs vitesses puisque la vitesse de la lumière est constante à environ 300 000 km/s. De ce fait, l'observateur verrait le prolongement de la lumière ainsi déviée qui forme alors un anneau de lumière se formant à la même distance de l'observateur que la source.

Anneau d'Einstein multiple

SDSSj0496+1006, un exemple d'un anneau d'Einstein double

Plusieurs type d'anneau existe. En effet, certaine situation permette la formation d'anneau multiple. Pour que cette situation survienne, il faut que deux lentille gravitationnelle s'aligne afin de faire dévier chacun la lumière un après l'autre et que la lentille la plus proche de la source émette aussi de la lumière afin de créer les anneaux supplémentaire. De par ce principe, un système avec deux lentilles gravitationnelles pourrait créer jusqu'à trois anneaux. La première lentille fait dévier la lumière de la source et ensuite cette lumière est dévié de nouveau par la seconde lentille qui resserre l'anneau de la première lentille et elle ramène un nouvel anneau qui aurait été trop grand pour que celui-ci soit visible par l'observateur.

Implication scientifique

Même si l'anneau d'Einstein semble sans utilité aux premiers abords, l'anneau permettrait entre autre de déterminer la masse de l'objet servant de lentille. En effet, la taille de l'anneau dépendant de la déviation de la lumière qui dépend elle-même de la masse de la lentille. Une autre utilité des anneaux d'Einstein est qu'elle permettrait de mieux identifier les galaxies actives. En effet, ces galaxies serait plus facile à identifier lorsque leur lumière passe par une lentille gravitationnelle que si elle ne le ferait pas puisque que le contraste entre la galaxie hôte et le noyau actif de galaxie serait augmenté par la lentille.

Équations mathématiques

Schéma de fonctionnement d'un anneau d'Einstein avec les variables

La taille de l'anneau d'Einstein est donné par le rayon d'Einstein. En radian, cette taille est donnée par :

$\theta _{E}={\sqrt {{\frac {4GM}{c^{2}}}\;{\frac {d_{LS}}{d_{L}d_{S}}}}},$

où

$\theta _{E}$ est la taille angulaire en radian,

$G$ est la constante gravitationnelle,

$M$ est la masse de la lentille,

$c$ est la vitesse de la lumière,

$d_{L}$ est la distance angulaire de la lentille,

$d_{S}$ est la distance angulaire de la source, et

$d_{LS}$ est la distance angulaire entre la lentille et la source.

Bibliographie

 : document utilisé comme source pour la rédaction de cet article.

• (en) Albert Einstein, « Lens-Like Action Of A Star By The Deviation Of Light In The Gravitational Field », Science, vol. 84, n^o 2188,‎ 4 décembre 1936, p. 506-507 (lire en ligne). 

Voir aussi

Articles connexes

• Lentille gravitationnelle
  • Microlentille gravitationnelle
  • Lentille gravitationnelle faible
  • Microlentille gravitationnelle
• Croix d'Einstein
• Rayon d'Einstein

Liens externes

• La lentille gravitationnelle sur www.astronomes.com