Anneau d'Einstein... ou du mirage cosmique

04/07/2017

Quelques schémas pour aborder la déformation que l'espace-temps impose au trajet de la lumière...

Bon, tout d'abord, ci-haut, un anneau d'Einstein que j'ai dessiné et produit pour plaîre aux physiciens et arrondir mes fins de mois. L'anneau, en or pur,  n'est pas bien cher, et en plus on peut faire graver les formules de son choix! 2500 euros, c'est donné, non? 

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Venons-en alors aux choses impalpables et qui ne rapportent rien, mais que l'on peut apprendre pour avoir quelque chose à dire aux voisins, dans l'ascenseur, ou dans les dîners en ville et autres vernissages de peintres du dimanches.

Pour commencer à méditer sur les mirags célestes il faut bien se dire une chose : vous pensez peut-être que la lumière, qui est impalpable, ne subit pas les effets gravitationnels... Eh bien, sachez que c'est nenni : les photons sont bel et bien sensibles à la déformation de l'espace-temps et si vous n'y croyez pas c'est que vous êtes encore newtonien et devriez vivre au XVII. Le truc c'est ça : un photon va toujours en ligne droite, mais comme l'espace-temps est courbe, la particule dévie selon cette courbure. De la même manière nous pouvons dire que la terre tourne autour du soleil en ligne droite, dans un espace courbe. Ok? (Si ça vous choque, appelez-moi sur mon portable et on se prend un petit Martini, je vous consolerai).

Regardons alors ce premier schéma où l'on voit un alignement parfait entre une étoile lointaine, un gros mastar très massif au milieu (trou noir, amas de galaxies, tas de matière noire...) et la terre, qui est en bleu clair.

Le gros mastar très massif, comme vous vous en doutez, déforme l'espace autour de lui très fort. Or si on prend au pif un rayon lumineux partant de l'étoile et passant au voisinage du corps massif, à tous les coups il sera dévié : dévié d'autant plus fort qu'il frôlera de près la boule. Le rayon blanc de l'image à droite, qui voulait partir vers le haut, fléchit à cause de la déformation de l'espace-temps.

Or, parmi les nombreux rayons qu'envoye l'étoile dans toutes les directions, la plupart d'entre-eux finiront n'importe-où, mais il y en aura inévitablement quelques-uns qui finissent par arriver tout droit au milieu de notre front, ou dans le télescope.

Dans le schéma suivant j'ignore les rayons qui gambadent ailleurs, et je représente uniquement l'ensemble de rayons qui arrivent à une distance identique de la boule centrale, tout autour d'elle, et qui sont déviés vers nous les terriens en convergeant en un point.

J'imagine que ces rayons lumineux sont comme des tiges rigides et je coupe, par un plan perpendiculaire, le milieu du corps massif : je vois alors se dessiner une figure autour de celui-ci.

Comme c'est mon blog et que je fais ce que je veux, j'enlève ensuite le plan de coupe qui nous embête et je supprime les tiges rigides : je garde uniquement dans l'image les points de contact entre les rayons lumineux et le plan.

N'est-ce pas mignon comme tout cette auréole céleste? Or, si je descend sur la terre et me place devant mon télescope, à l'alignement parfait du mastar et de l'étoile, je verrais ceci : 

Ha! Je ne vois pas l'étoile, qui est tout à fait cachée derrière la boule massive, mais je vois son image disposée sur un cercle. Bien sûr, si j'avais pris plus de points, ce cercle serait tout à fait continu....

Bref, lecteur : nous nous trouvons devant l'anneau d'Einstein, qui s'appelle comme ça non pas tant parce qu'il l'aurait inventé et nommé lui-même, mais parce que c'est une conséquence immédiate et inévitable de la théorie de la gravitation, la Relativité Générale, qu'il nous a pondue en 1915.

Le problème du vrai cosmos, quand on quitte les schémas, est que ces conditions idéales de parfait alignement ne se produisent guère. Cependant il y a beaucoup de situations qui sont assez proches de l'idéal et là, du coup, on voit plein de mirages assez étonnants. En voilà quelques images. Matez celle-ci comme elle est belle :

Bien sûr, on n'y voit pas un cercle complet, à cause du désaxement, mais les portions circulaires forment des arcs assez bien identifiables et... multiples. Non, ce n'est pas un défaut de la focale de Hubble qui génère ces figures, c'est bel et bien un mirage cosmique, une "lentille gravitationnelle".

Vous pourrez trouver des images semblables sur le web. Quant à moi je vous propose celle-ci, montrant non seulement le mirage annulaire produit par la galaxie, mais carrément des effets de duplication, qui nous font voir le même astre à plusieurs endroits....