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Découverte de la première lentille gravitationnelle avec un quasar

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On connaissait plus d'une centaine d'images de quasars subissant l'effet de lentille gravitationnelle forte d'une galaxie ou d'un amas de galaxie. C'est l'inverse que vient d'observer pour la première fois un groupe d'astronomes. Cela ouvre la porte à la première estimation directe de la masse d'un quasar et de la galaxie abritant celui-ci.

Le quasar SDSS J0013+1523, en bleu sur cette image en fausses couleurs, a été observé dans le domaine de l'infra-rouge proche avec le télescope Keck II à Hawaï. Crédit : Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne-F. Courbin, G. Meylan, S. G. Djorgovski, et al.../ Caltech/WMKO.

La théorie de la gravitation d'Einstein, la théorie de la relativité générale, fait des prédictions bien spécifiques en ce qui concerne la déviation des rayons lumineux passant proche d'une distribution de masse. L'une d'entre elles concerne ce que l'on peut observer lors d'une éclipse de Soleil et cela servit de test à la relativité générale en 1919 avec les observations d'Eddington. Avec le recul, les données de l'époque ne seraient pas suffisantes  pour vérifier une théorie physique avec les critères actuels, mais d'autres tests, plus solides, ont été réalisés par la suite. Il y a quelques années, Sergei Kopeikin, de l'université du Missouri, et Edward Fomalont, du National Radio Astronomy Observatory (NRAO) ont même conduit une réplique de l'expérience de 1919 mais avec des ondes radio

L'idée que des distributions de masses pouvaient agir sur des rayons lumineux à la façon d'une loupe remonte à 1924 dans un article de Orest Danilovich Khvolson, un physicien russe. Personne ne le remarqua et ce n'est qu'en 1936 qu'Albert Einstein publia un article sur le même sujet, stimulé par la lettre d'un particulier.

Toutefois, l'effet de lentille gravitationnelle était encore associé à une étoile et son extension au cas des galaxies et des amas de galaxies fut considéré un an plus tard par le physicien d'origine suisse, Fritz Zwicky. Il fallut attendre 1979 pour que l'effet soit enfin observé avec le désormais célèbre Quasar Jumeau situé dans la constellation de la Grande Ourse à une distance de 8,7 milliards d'année-lumière, alors que la galaxie lentille est, elle, à 3,7 milliards d'année-lumière.

Par la suite, c'est plus d'une centaine de quasars subissant un effet de lentille gravitationnelle causé par une galaxie ou un amas de galaxie qui ont été découverts.


Une vidéo en anglais montrant Georges Meylan, directeur du Laboratoire d’astrophysique de l’EPFL, commentant la découverte de la lentille gravitationnelle produite par un quasar. Crédit : Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne.

Aujourd'hui c'est l'inverse que vient d'observer pour la première fois un groupe d'astronomes du Laboratoire d'astrophysique de l'Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) en collaboration avec leurs collègues de l'Institut Technologique de Californie (Caltech). 

D'abord identifié comme un candidat possible exhibant un effet de lentille gravitationnelle dans le catalogue du SLOAN Digital Sky survey contenant des cartes en trois dimensions couvrant plus d'un quart du ciel et montrant près d'un million de galaxies et plus de 120.000 quasars, le quasar QSO : SDSS J0013+1523 a ensuite été observé dans l'infra-rouge proche à l'aide du Keck II, le célèbre télescope de Hawaï.

Un schéma explicatif pour la découverte des astronomes de l 'EPFL et du Caltech. L'image du télescope en bas à gauche est en fausses couleurs car elle a été prise dans l'infra-rouge proche avec le Keck II. Crédit : Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne-Pascal Coderay.

Les chercheurs ont alors découvert qu'une galaxie, distante de 7,5 milliards d'années lumière, apparaissait bel et bien magnifiée et multipliée par le quasar SDSS J0013+1523, situé lui à 1,6 milliards d'années-lumière. C'est une grande première qui aura des répercussions importantes en astrophysique et en cosmologie

Comme le rappelle S. Djorgovski George, le leader de l'équipe du Caltech à l'origine de la découverte avec les chercheurs de l'EPFL  : « Les quasars sont des sondes précieuses pour comprendre la formation et l'évolution des galaxies », et il ajoute: « D'autres découvertes de tels systèmes nous aideront à mieux comprendre la relation entre les quasars et les galaxies qui les contiennent, et leur co-évolution ». En attendant, des images de très haute qualité de SDSS J0013+1523 seront fournies dans un avenir proche par le télescope spatial Hubble, apportant son lot d'informations supplémentaires.

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