Image prise par le [popupdefinition id=2534]HST[/popupdefinition] de l'amas 0024 1654. Les objets bleus sont des images multiples d'une [popupdefinition id=36]galaxie[/popupdefinition] situ&eacute;e loin derri&egrave;re l'amas. C'est un exemple de [popupdefinition id=3999]lentille gravitationnelle[/popupdefinition]

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lentille gravitationnelle dans 0024 1654

La première idée d’un télescope spatial en orbite date de 1923 quand Hermann Oberth, un des pionniers de l’astronautique, publia un article. L’idée est reprise en 1946 par l’astronome Lyman Spitzer puis prend forme en 1975 avant que le Congrès américain donne son feu vert en 1977 au programme du Large Space Telescope (LST). Pendant son développement, ce programme sera rebaptisé « Hubble » du nom de Edwin Hubble (1889–1953), l’un des grands pionniers de l’astronomie moderne.En 1977, l’Agence spatiale européenne (ESA) et la Nasa officialiseront leur partenariat dans le cadre d'un accord au terme duquel l’ESA fournira la caméra pour objets faiblement lumineux (FOC) et les panneaux solaires. En échange de cette contribution, l’ESA aurait dû recevoir 15 % du temps d’utilisation d’Hubble mais dans les faits, en raison de la qualité des demandes d’observation des astronomes européens, la part allouée aux scientifiques européens a été d'environ 20 %.Hubble, le plus célèbre de tous les observatoires spatiauxHubble est un télescope spatial de long de 13,2 mètres, d'un diamètre de 4,2 mètres et doté d’un miroir primaire de 2,4 mètres. À son lancement, sa masse était d’environ 11,1 tonnes. Initialement prévu en 1983 et reporté en 1985, puis 1986, il sera finalement placé en orbite autour de la Terre le 24 avril 1990 par la navette spatiale Discovery. Le report de 1986 s’explique par la perte de la navette Challenger qui explose lors de son décollage le 28 janvier 1986.Polissage du miroir primaire d'Hubble d'un diamètre de 2,4 mètres. © Perkin-Elmer CorporationHubble : dans les coulisses du télescope spatial avec Roger-Maurice BonnetAujourd’hui, Hubble évolue à plus ou moins 543 kilomètres d’altitude. Il fait le tour de la Terre en seulement 96 minutes en se déplaçant à 28.000 kilomètres par heure ! Depuis sa mise en service, un total de 12 instruments aura été installé à son foyer et six sont en service aujourd’hui. Les six autres ont été remplacés au gré de quatre missions de service.Ces missions sont un des points forts du programme et expliquent la longévité du satellite. Dès sa conception, le télescope a été pensé pour permettre à des astronautes de lui rendre des visites d’entretien et de service pour remplacer des instruments scientifiques et réparer ou changer des éléments techniques comme cela a été le cas avec les panneaux solaires et les gyroscopes par exemple. La première mission de service se déroulera seulement trois ans après son lancement pour installer le dispositif pour corriger le grave défaut d’optique dont souffrait le miroir.Bloc "Le saviez-vous ?"En matière d’avancées scientifiques, un article ne suffirait évidemment pas pour toutes les décrire. Après 30 ans d’activité, les observations d’Hubble et les données acquises ont révolutionné presque tous les domaines de l’astronomie, de la science planétaire à la cosmologie !Au 1er avril 2020, Hubble aura réalisé plus de 1,4 million d’observations et fourni des données que les astronomes du monde entier ont utilisé pour rédiger plus de 17.000 publications scientifiques à comité de lecture. Cela en fait l’un des observatoires spatiaux les plus prolifiques de l’histoire de l’astronomie. La quantité des données acquises et celles qui seront acquises d’ici 2025, date à laquelle Hubble sera désorbité (faute de carburant), est telle qu’elle va alimenter les futures recherches en astronomie pour de nombreuses années encore. 

Télescope spatial Hubble

L'un des premiers phénomènes prédits par la relativité générale, et qui a fortement contribué à la faire accepter, est celui de déviation de la lumière, également connu sous le nom de "lentille gravitationnelle". Aux alentours d'un trou noir, ce phénomène est extrêmement fort, toutefois ce n'est pas le plus important pour témoigner de leur existence. En effet, les trous noirs actifs entourés de grandes quantités de matière sont les plus facilement observables, mais autour de ceux-ci la déviation de la lumière est difficilement mise en évidence étant donnés la présence du disque d'accrétion et la complexité du rayonnement émis.
Retour historique
Einstein, avec sa théorie de la relativité générale, nous apprend que les rayons lumineux sont déviés au voisinage d'objets massifs.
• De la même façon qu'on observe une déformation de l'image lorsque des rayons lumineux sont déviés par la présence d'une lentille de verre sur leur trajet, on s'attend à observer une image déformée des étoiles lorsque leur direction est proche de celle d'un objet massif (trou noir, galaxie...).
• En 1919, survint le premier test expérimental de cette théorie. Lors d'une éclipse solaire, Arthur Eddington observe une étoile normalement située derrière le soleil. La mesure de la déviation confirme les prévisions d'Einstein. Le soleil provoque donc le premier mirage gravitationnel observé.
• En 1937, Einstein relance le sujet en décrivant le phénomène des anneaux d'Einstein : lorsque 2 étoiles, suffisamment éloignées, sont alignées avec la terre, l'étoile la plus éloignée, la source, est vue comme un anneau entourant l'étoile la plus proche, appelée lentille gravitationnelle. Quand la source n'est que de très peu décalée de l'axe terre lentille on peut observer des images multiples de la source.

Lentille gravitationnelle

Une galaxie est un ensemble d'étoiles, de poussières et de gaz interstellaires dont la cohésion est assurée par la gravitation. Les galaxies présentent une grande diversité de taille (entre 2.000 et 500.000 années-lumière de diamètre) et de forme. Le rayonnement provenant des galaxies permet de répartir ces dernières en galaxies normales et galaxies actives, parmi lesquelles se trouvent les quasars. Les regroupements de galaxies que l'on observe dans l'univers sont appelés amas et superamas.
La galaxie à laquelle appartient le système solaire est la Voie lactée. La grande galaxie la plus proche de la Voie lactée, Andromède, est située à 2,3 millions d'années-lumière. Notre galaxie possède toutefois deux petites galaxies satellites (le grand et le petit Nuages de Magellan) situées respectivement à environ 150.000 et 200.000 années-lumière.
Voilà moins d’un siècle que l’on est sûr que des objets comme la galaxie d’Andromède ou M87 sont bien des concentrations d’étoiles similaires à la Voie lactée, mais n’en faisant pas partie. Confirmant les intuitions de Thomas Wright et Emmanuel Kant, cette découverte a été faite par Edwin Hubble au début des années 1920. Plus tard, l’astronome et cosmologiste donna même une classification des galaxies, censée représenter un schéma évolutif. La séquence de Hubble n’est plus considérée comme telle aujourd’hui mais on continue à présenter la classification morphologique des galaxies qu’elle constitue. 
Elle comporte trois grands types. Il y a les spirales, contenant d’importantes quantités de gaz et de poussières, avec un disque où l’on trouve de jeunes étoiles et un bulbe plus ou moins important contenant des vielles étoiles. Viennent ensuite les elliptiques, principalement constituées de vieilles étoiles et pauvres en gaz et poussières, qui ont une structure sphéroïdale. Et enfin les irrégulières, de plus petite taille et riches en jeunes étoiles.
Les collisions de galaxies sont des phénomènes essentiels pour l'apparition de la vie. En effet, ces collisions peuvent entraîner la formation d'un type d'étoile qui fabrique de l'oxygène. Cette vidéo est extraite du projet multiplateforme francophone sur la cosmologie contemporaine www.dubigbangauvivant.com © Groupe ECP-YouTube
Des nuages de gaz aux étoiles dans les galaxies
Les galaxies spirales comme la Voie lactée sont les plus nombreuses. Elles ont la forme d'un disque en rotation autour de son centre, le noyau (ou bulbe), très dense, entouré d'un halo peu dense. Le disque se prolonge fréquemment par un ou deux bras spiralés composés d'étoiles, de poussières et de gaz.
D'après les théories de la formation stellaire, les étoiles, que l'on compte par centaines de milliards au sein des galaxies, sont façonnées par la condensation de nuages moléculaires de gaz. Ce phénomène tend à raréfier ce gaz dans le milieu interstellaire au cours de l'évolution des galaxies. Le gaz est quasiment absent dans les galaxies anciennes. Les positions et les trajectoires des étoiles y dépendent de la classe à laquelle elles appartiennent.
On pense que les elliptiques résultent de la fusion de plusieurs galaxies spirales suite à des collisions entre galaxies. Il s’agirait donc d’un état avancé de l’évolution des galaxies, évolution qui a commencé par la formation de galaxies naines. Pendant les premiers milliards d’années de l’univers observable, les interactions gravitationnelles et les collisions entre ces galaxies naines étaient importantes, donnant lieu à la formation de galaxies irrégulières et de grandes galaxies par fusion.
Lors des collisions avec fusion, des flambées d’étoiles se produisaient, consommant le gaz interstellaire présent. Dans cette logique, on comprend bien que les galaxies les plus évoluées soient aussi les plus pauvres en gaz et poussières, comportant le plus de vieilles étoiles. Ce serait donc bien les elliptiques. Elles forment environ 20 % des galaxies observées contre 77 % pour les spirales.

Galaxie

90_lentille-gravitationnelle-dans-0024-1654

Objet 2237 0305. L'image d'un [popupdefinition id=305]quasar[/popupdefinition] lointain est multipli&eacute;e par le champ gravitationnel d'un objet massif qui se trouve juste entre ce quasar et nous. La [popupdefinition id=326]lumi&egrave;re[/popupdefinition] provenant des quatre images entourant le point central a &eacute;t&eacute; &eacute;mise par le m&ecirc;me objet !

Croix d'Einstein

On désigne par le terme de « lumière visible » le spectre du rayonnement électromagnétique perceptible par l’œil humain.
La lumière blanche
Les longueurs d’ondes de la lumière visible s’échelonnent d’environ 380 nm (violet) à 780 nm (rouge). Le spectre visible est obtenu par décomposition de la lumière blanche par un prisme. Les caractéristiques et les propriétés de la lumière sont étudiées dans le cadre de l'optique.
Vitesse de la lumière
La lumière se propage dans le vide ainsi que dans la matière ; sa vitesse de propagation dépendant du milieu dans lequel elle se déplace. Dans le vide, la lumière se propage à la vitesse c de 3.108 m.s-1., c'est-à-dire 300.000.000 mètres par seconde, ou encore 300.000 kilomètres par seconde. La vitesse de la lumière dans le vide est l’une des constantes fondamentales de la physique.
Lumière, longueur d'onde et couleur
Autre caractéristique importante : sa longueur d’onde. Dans un milieu dispersif, celle-ci peut d’ailleurs influer sur la vitesse de propagation de la lumière. La longueur d’onde influe aussi sur la perception sensorielle de l’œil et donne ainsi à la lumière sa couleur.
Ondes électromagnétiques et photons : la dualité onde-corpuscule
D’un point de vue théorique, la lumière peut être représentée soit par des ondes électromagnétiques, soit par des photons. C’est ce que les physiciens appellent la dualité onde-corpuscule. Ainsi, certains phénomènes optiques (rayonnement du corps noir et loi de Planck, etc.) s’expliquent bien à l’aide de la théorie ondulatoire qui suppose que la lumière est une onde électromagnétique. Pour d’autres (effet photoélectrique, effet Compton, etc.), il faut supposer que la lumière est composée de corpuscules d’énergie nommés « photons ».
Physique : optique quantique et photons intriqués
La théorie quantique a formalisé cette surprenante dualité. Les photons possèdent à la fois les propriétés de particules – on peut les compter, par exemple – et celles d’ondes : ils peuvent interférer.
Les physiciens sont capables de manipuler des photons uniques ou des paires de photons dits intriqués. Ils étudient les phénomènes qui en découlent dans le cadre de l’optique quantique. Les applications potentielles sont prometteuses : cryptographie inviolable, calculs basés sur le qubit, etc.

Lumière

Les quasars sont des astres distants, qui apparaissent comme des étoiles très brillantes lorsqu'on les observe au télescope, mais dont on sait aujourd'hui que ce sont des exemples de ce que l’on appelle des noyaux actifs de galaxies (Active Galactic Nuclei ou AGN, en anglais), qui ne sont pas forcément aussi lumineux que les quasars. Nous avons toutes les raisons de penser que leur prodigieuse énergie provient de l’accrétion de la matière par des trous noirs supermassifs de Kerr en rotation, pouvant contenir des millions à des milliards de masses solaires comme M87*, récemment imagé par les membres de la collaboration Event Horizon Telescope.Dans cet extrait de la plateforme TV-Web-cinéma « Du Big Bang au Vivant », qui couvre des découvertes dans le domaine de l'astrophysique et de la cosmologie, Jean-Pierre Luminet nous parle des quasars. © Jean-Pierre LuminetDes astres 5 millions de millions de fois plus brillant que le SoleilLa découverte des quasi-stellar radio sources, des « quasar », selon la dénomination proposée en 1964 par l'astrophysicien d'origine chinoise Hong-Yee Chiu, a commencé à partir de 1963 lorsque Maarten Schmidt, un astronome néerlandais, publiait avec son collègue John Beverly Oke dans le journal Nature les résultats des observations qu’ils avaient réalisées en utilisant notamment la technique des occultations. Ils cherchaient à déterminer la contrepartie optique d’une source radio puissante découverte quelques années auparavant par un autre astronome, Allan Sandage. La source avait été baptisée 3C 273, ce qui veut dire qu’elle était le 273e objet du troisième catalogue de Cambridge recensant les sources radio.L’article de Schmidt et Oke fut un coup de tonnerre dans le ciel de l’astrophysique et de la cosmologie. L’analyse spectrale de l’astre qu’ils avaient identifié dans le visible dans la constellation de la Vierge révélait des lignes d’émission de l’hydrogène fortement décalées vers le rouge. Cela signifiait que ce qui apparaissait comme une étoile se situait en dehors de la Voie lactée, mais surtout à une distance cosmologique.Image optique du quasar 3C 273, le plus lumineux jamais observé,obtenue avec le télescope spatial Hubble. Le quasar réside au cœur d’une galaxie elliptique géante de la constellation de la Vierge, à une distance d'environ 2,5 milliards d'années-lumière. Un jet de matière provenant des régions centrales de la galaxie est visible à gauche de l'image. © CNRS, ESA, Hubble & NasaEn effet, 3C 273 se trouvait à plus de 2,4 milliards d’années-lumière de notre Galaxie, ce qui veut dire que pour être observable à une telle distance proprement cosmologique, ce qui se présentait comme une étoile devait être d’une luminosité absolument prodigieuse, dépassant les 5 millions de millions de fois celle du Soleil, ou présenté d’une autre façon, était équivalente à celle de 1.000 fois les centaines de milliards d’étoiles de notre Voie lactée !Cela signifie que 3C 273 semblerait presque aussi brillant dans le ciel que le Soleil s'il était situé à la place de l'étoile Pollux, à environ 10 parsecs soit une trentaine d'années-lumière seulement.Les quasars et la cosmologieCette découverte d’une quasi-stellar radio source démontrait que l’univers était différent dans le passé, et donc évoluait. Ceci n’était pas possible dans le cadre du modèle cosmologique standard de l’époque, selon lequel, bien qu’en expansion, l’univers devait apparaître inchangé pour tous ses observateurs, quelle que soit leur position dans le temps. En revanche, l’existence de 3C 273 était en parfait accord avec la théorie du Big Bang, puisque celle-ci prévoyait que si l’on observait des objets à des distances suffisamment grandes, on remontait de plus en plus loin dans le passé et l’histoire d’un univers en évolution. Il était donc normal d’observer à des milliards d’années-lumière un univers dont l’aspect diffère de celui qu'il avait il y a seulement quelques dizaines de millions d’années, donc dans l'environnement proche de la Voie lactée.Les galaxies sont-elles nées d'un trou noir ? Les quasars, ces trous noirs supermassifs au cœur des galaxies, sont-ils à l'origine de la naissance des étoiles avant de les avaler ? Premier épisode d'une collection de documentaires Web sur l'astrophysique au XXIe siècle. Réalisateur : Pierre-François Didek (Karamoja Productions). Directeur de collection : Vincent Minier (laboratoire AIM Paris-Saclay). © AstrophysiqueTV, Dailymotion Les astrophysiciens ont très tôt cherché à comprendre la nature de ces astres qui, bien que libérant d’énormes quantités d’énergie, semblaient être de petite taille. On a d’abord pensé qu’il pouvait s’agir d’énormes étoiles dominées par les effets de la relativité générale avant d’envisager assez rapidement qu’il pouvait s’agir de trous noirs supermassifs accrétant d’importantes quantités de gaz.Dans le bestiaire des astres relativistes que l’on commençait à explorer sérieusement pendant les années 1960, certains, comme Igor Novikov et Yuval Ne'eman, ont même proposé que les quasars étaient en fait des trous blancs. C’est-à-dire soit des régions de l’univers dont l’expansion au moment du Big Bang avait été retardée (hypothèse des lagging core) soit l’autre extrémité de trous de vers éjectant la matière qu’ils avaient absorbé sous forme de trous noirs dans une autre partie du cosmos voire dans un autre univers.

Quasar

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Objet 0024 1654. Alignement quasi-parfait de deux [popupdefinition id=36]galaxies[/popupdefinition] avec la n&ocirc;tre. L'image de la galaxie lointaine est d&eacute;form&eacute;e &agrave; l'extr&ecirc;me par le champ gravitationnel de la plus proche, pour former un anneau (anneau d'[popupbiographie id=205]Einstein[/popupbiographie]).

Anneau d'Einstein

Physicien américain d'origine allemande, Albert Einstein a changé par sa théorie fondamentale de la relativité, la conception humaine du temps, de l'espace et de l'univers, bouleversant la pensée scientifique et philosophique."La Science sans la religion est boiteuse ; la religion sans la science est aveugle." Einstein a exposé un jour sa conviction personnelle en ces termes, puis il a précisé : "Une personne religieuse est croyante en ce sens qu'elle ne doute absolument pas de l'existence des finalités supra personnelles qui n'exigent ni n'admettent aucun fondement rationnel." Dans son existence, il n'a fait place ni aux prières ni à l'adoration. Pourtant il a été animé par la foi profonde, sans fondement rationnel, qu'il restait des lois de la Nature à découvrir. Il a consacré sa vie à leur découverte.Biographie d'Albert EinsteinAlbert Einstein est souvent cité comme l'un des scientifiques les plus influents du XXe siècle. Ses travaux continuent d'aider les astronomes à tout étudier, des ondes gravitationnelles à l'orbite de Mercure. L'équation du scientifique qui a contribué à expliquer la relativité spéciale E = mc² est célèbre même parmi ceux qui ne comprennent pas sa physique sous-jacente. Einstein est également connu pour sa théorie de la relativité générale (une explication de la gravité), et l'effet photoélectrique (qui explique le comportement des électrons dans certaines circonstances) ; ses travaux sur ce dernier lui ont valu un prix Nobel de physique en 1921.Einstein a également tenté en vain d'unifier toutes les forces de l'univers dans une seule théorie, ou une théorie de tout, sur laquelle il travaillait encore au moment de sa mort.Les premières années d'EinsteinEinstein est né le 14 mars 1879 à Ulm, en Allemagne, une ville qui compte aujourd'hui un peu plus de 120 000 habitants. Il y a une petite plaque commémorative à l'endroit où se trouvait sa maison (elle a été détruite pendant la Seconde Guerre mondiale). La famille a déménagé à Munich peu après sa naissance, puis en Italie lorsque son père a eu des problèmes pour gérer sa propre entreprise. Le père d'Einstein, Hermann, dirigeait une usine électrochimique et sa mère Pauline s'occupait d'Albert et de sa jeune sœur, Maria.Einstein écrira dans ses mémoires que deux "merveilles" ont profondément marqué ses premières années, selon Hans-Josef Küpper, un spécialiste d'Albert Einstein. Le jeune Einstein a rencontré sa première merveille, une boussole à l'âge de 5 ans : il était mystifié que des forces invisibles puissent dévier l'aiguille. Cela allait le conduire à une fascination de toute une vie pour les forces invisibles. La deuxième merveille est venue à l'âge de 12 ans, lorsqu'il a découvert un livre de géométrie qu'il vénérait, l'appelant son "saint livre de géométrie".Contrairement à la croyance populaire, le jeune Albert était un bon étudiant. Il excellait en physique et en mathématiques, mais était un élève plus "modéré" dans d'autres matières, a écrit Küpper sur son site web. Cependant, Einstein se rebelle contre l'attitude autoritaire de certains de ses professeurs et abandonne l'école à 16 ans. Il a ensuite passé un examen d'entrée à l'École polytechnique fédérale de Zurich, et bien que ses performances en physique et en mathématiques aient été excellentes, ses notes dans d'autres domaines étaient médiocres, et il n'a pas réussi l'examen. Le physicien en herbe a suivi des cours supplémentaires pour combler ses lacunes en matière de connaissances. Il a été admis à l'École polytechnique fédérale suisse en 1896 et, en 1901, il a reçu son diplôme d'enseignant de physique et de mathématiques. Cependant, Einstein ne trouve pas de poste d'enseignant et commence à travailler dans un bureau des brevets à Berne en 1901. C'est là que, entre deux analyses de demandes de brevet, il a développé ses travaux sur la relativité spéciale et d'autres domaines de la physique qui l'ont ensuite rendu célèbre.En 1903, Einstein a épousé Mileva Maric. Leurs enfants, Hans Albert et Eduard, sont nés en 1904 et 1910. Einstein divorce de Maric en 1919 et épouse peu après Elsa Löwenthal. Löwenthal meurt en 1933.Faits marquants de sa carrièreLa carrière d'Einstein l'a envoyé dans de nombreux pays. Il obtient son doctorat à l'université de Zurich en 1905, puis devient professeur à Zurich (1909), à Prague (1911) et de nouveau à Zurich (1912). Ensuite, il s'installe à Berlin pour devenir directeur de l'Institut de physique de l'Empereur Wilhelm et professeur à l'université de Berlin (1914). Il devient également citoyen allemand. Une validation majeure du travail d'Einstein a lieu en 1919, lorsque Sir Arthur Eddington, secrétaire de la Royal Astronomical Society, dirige une expédition en Afrique qui mesure la position des étoiles pendant une éclipse solaire totale. Le groupe a découvert que la position des étoiles était décalée en raison de la courbure de la lumière autour du soleil. Einstein est resté en Allemagne jusqu'en 1933, date à laquelle le dictateur Adolf Hitler a pris le pouvoir. Le physicien a alors renoncé à sa citoyenneté allemande et s'est installé aux États-Unis pour devenir professeur de physique théorique à Princeton. Il devient citoyen américain en 1940 et prend sa retraite en 1945.Einstein est resté actif dans la communauté des physiciens tout au long de ses dernières années. En 1939, il écrivit une lettre au président Franklin D. Roosevelt pour l'avertir que l'uranium pouvait être utilisé pour une bombe atomique. Vers la fin de sa vie, Einstein s'engage dans une série de débats privés avec le physicien Niels Bohr sur la validité de la théorie quantique. Les théories de Bohr ont tenu la route, et Einstein a par la suite intégré la théorie quantique dans ses propres calculs. Livres
Fondements de la théorie de la relativité restreinte et généralisée - 1916
Quatre conférences sur la théorie de la relativité - 1921
Pourquoi la guerre ? (avec Freud) - 1933
Comment je vois le monde - 1934
Einstein : les vies d'Albert, de Vincenzo Barone 2017 Editions De Boeck Supérieur
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Albert Einstein

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[popupdefinition id=13]amas de galaxies[/popupdefinition] Abell 1689, dans lequel on distingue des arcs gravitationnels

abell 1689

Un amas de galaxies (ou amas galactique) est une concentration de galaxies liées ensemble par la gravitation. Les amas s’étendent sur quelques millions d’années-lumière et contiennent généralement plusieurs milliers de galaxies. Ce sont en grande majorité des galaxies naines, c’est-à-dire dont les étoiles se comptent en centaines de millions et non en centaines de milliards.
Il n’y a pas seulement des galaxies dans les amas : celles-ci ne contribuent en réalité que pour 10 % de leur masse totale. Mais ce sont les seuls objets que l’on peut voir puisqu’ils sont très lumineux (dans le domaine visible). En fait, les amas contiennent aussi des nuages de gaz très chaud prisonniers entre les galaxies, qui émettent dans le domaine des rayons X. Enfin et non des moindres, l'énigmatique matière noire représente 80 % de la masse des amas.
Les amas, comme ici Abell 2537 observé par Hubble, produisent un effet de lentille gravitationnel, c’est-à-dire qu’ils courbent l’espace-temps et nous permettent de voir la lumière de galaxies très lointaines, cachées derrière eux, visibles sur cette image sous forme de traits lumineux. © ESA, Hubble, Nasa
Groupes, amas et superamas : les plus grandes structures de l’univers
Les galaxies vivent volontiers ensemble : la moitié des galaxies au moins font partie d’un groupe ou d’un amas. On peut distinguer en effet les amas, qui rassemblent des milliers de galaxies, des groupes qui en contiennent quelques dizaines. De plus, les amas sont surtout constitués de galaxies elliptiques et lenticulaires, tandis que les groupes rassemblent essentiellement des galaxies spirales.
Quelle est la plus grande structure de l’univers ?
Les amas sont les plus grandes structures de l’univers liées par la gravitation. Ils se rassemblent par ailleurs en superamas ! Ainsi, notre Galaxie, la Voie lactée, fait partie du Groupe Local contenant une quarantaine de galaxies, mais aussi du superamas de la Vierge. Au centre de ce dernier se trouve l’amas de la Vierge. Il contient environ 2.000 galaxies et il s’agit de l’amas le plus proche de nous.

Amas de galaxies

196_abell-1689

Cette image contient une des [popupdefinition id=36]galaxies[/popupdefinition] les plus lointaines qu'on puisse observer. Elle est rendue visible (&agrave; peine &agrave; l'oeil, dans les zones indiqu&eacute;es) gr&acirc;ce &agrave; l'effet de [popupdefinition id=3999]lentille gravitationnelle[/popupdefinition], caus&eacute; par l'amas de galaxie. (APOD 17/02/2004)

Abell 2218

239_abell-2218

Plusieurs objets brillants vus en [popupdefinition id=1002]rayons X[/popupdefinition] par [popupdefinition id=4208]Chandra[/popupdefinition]. Ils pourraient &ecirc;tre les pr&eacute;curseurs d'un futur [popupdefinition id=305]quasar[/popupdefinition]. (APOD 7/06/2001).

NGC 253

Chandra (ou Advanced X-ray Astrophysics Facility : AXAF) est un télescope spatial en orbite autour de la Terre depuis 1999, qui enregistre les rayons X en provenance de l'univers. Chandra est nanti de 4 paires de miroirs, qui permettent d'obtenir une résolution angulaire de 0,5 seconde d'arc. Ses miroirs sont composés de surfaces paraboliques et hyperboliques, dont la surface est recouverte d'iridium.
La détection de rayons X permet d'identifier les trous noirs et autres objets célestes difficilement détectables par les autres télescopes terrestres ou spatiaux. Grâce à Chandra, les chercheurs espèrent également en apprendre plus sur la distribution de l'énergie dans l'univers.

Chandra

Le rayon X est un rayonnement électromagnétique composé de photons de 5 picomètres à 10 nanomètres. Utilisé dans la cristallographie et l'imagerie médicale, il fut découvert en 1895 par le physicien Wilhelm Röntgen.
Inventé en 1895 par Wilhelm Röntgen
Invention des rayons X
La découverte des rayons X est basée sur celle, en 1869, des rayons cathodiques par Hittorf : les physiciens du monde entier se penchent sur cette invention sans y trouver la moindre application pratique. En 1895, Röntgen décide de plonger un tube de Crookes dans un caisson opaque. Il se rend alors compte que le rayonnement traverse la matière, et que les éléments métalliques sont visibles en négatif. Il en déduit que les rayons sont invisibles et qu'ils sont émis dans la direction des électrons de ce tube. Ne trouvant pas de dénomination adéquate, il les nomme « rayons X » en raison de leur nature inconnue.
Un premier cliché est effectué sur la main d'Anna Bertha Röntgen le 22 décembre 1895 : à la suite d'une pose de vingt minutes, le cliché affiche clairement la bague à son doigt. Il s'agit de la première radiographie. Grâce à cette découverte, Röntgen obtient le premier prix Nobel de physique.
Utilisation des rayons X
Les rayons X peuvent être produits de deux manières : par production de transitions électroniques sur les couches internes, proches du noyau : c'est le principe de la spectrométrie de fluorescence X. Ils peuvent aussi être produits par un freinage des électrons au sein d'un tube à rayon X, sur une cible métallique : le rayonnement est dit Bremsstrahlung.
Aujourd'hui, ils sont massivement utilisés dans le domaine de la médecine, de la sécurité, au sein des aéroports notamment, mais aussi, plus récemment, dans l'imagerie précise de fossiles : ils permettent de procéder à des découpes (ou tranches) virtuelles sans toucher à leur structure. Dans l'espace, on a individualisé de très nombreuses sources de rayons X. Les sources principales de rayons X sont les supernovae, les pulsars et les quasars.

Rayon X

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Amas lentilles

Abell 2218 lentille gravitationnelle

Lentilles gravitationnelles

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Le terme « trou noir » a été inventé par le physicien américain John Wheeler, en 1967, pour décrire une concentration de masse-énergie qui s’est effondrée gravitationnellement sous sa propre force d’attraction et qui est devenue si compacte que même les photons ne peuvent se soustraire à cette force gravitationnelle.Jean-Pierre Luminet, Directeur de recherche au CNRS, et Françoise Combes, Professeur au Collège de France, nous parlent des trous noirs. © Fondation Hugot du Collège de FranceTrou noir, horizon des évènements et relativité générale d'EinsteinL’idée avait déjà été conçue au XVIIIe siècle par John Michell et Pierre-Simon de Laplace. Mais, pour un physicien et un astrophysicien moderne, un trou noir est, d'abord et avant tout, caractérisé par l'existence d'un horizon des évènements, ce qui, dans ce cas précis, est une surface sphérique délimitant une région de l’espace-temps dont même la lumière ne peut sortir.Dans le cadre des équations de la relativité générale, un tel objet est décrit par une unique famille de solutions des équations d’Einstein dites de Kerr-Newman et qui correspondent à un trou noir en rotation possédant un moment cinétique, une masse et une charge électrique.Trous noirs de Kerr, de Schwarzschild et de Reissner-Nordströmquand un trou noir tourne mais est sans charge, on parle de trou noir de Kerr ;quand un trou noir ne tourne pas et est sans charge, on parle de trou noir de Schwarzschild ;quand un trou noir ne tourne pas mais a une charge, il est décrit par la solution de Reissner-Nordström.Bien qu’une singularité de l’espace-temps soit présente dans ces solutions, elle ne caractérise pas un trou noir. Les astrophysiciens ont des raisons de penser qu’un traitement quantique de l’espace-temps et de la matière à l’intérieur d’un trou noir supprime cette singularité qui peut être décrite approximativement comme un point de densité infinie où la courbure de l’espace-temps est également infinie. Un modèle quantique de trou noir conduit au concept d’étoile de Planck.Interview : qu’est-ce qu’une étoile de Planck ?Trous noirs stellaires, trous noirs supermassifs et minitrous noirsLes trous noirs stellaires se forment à l'occasion de l'effondrement gravitationnel de certaines étoiles massives qui explosent en supernovae.On sait qu'il existe, au cœur de certaines galaxies, des trous noirs dits supermassifs. Ils contiennent de quelques millions à quelques milliards de masses solaires, mais l'on ne comprend pas bien comment ils se forment.Il pourrait également exister des minitrous noirs issus des phases très primitives de l'univers. L'Homme pourrait en créer grâce à des collisions de particules dans des accélérateurs.Les astrophysiciens ont des raisons de penser que les trous noirs chargés se déchargent spontanément et très rapidement. Ainsi, ceux qui existent dans l’univers ne devraient être que des trous noirs de Kerr ou de Schwarzschild.Une présentation du succès de l'Event Horizon Telescope qui vient de livrer la première image d'un trou noir, celle de celui qui est supermassif et qui se trouve au cœur de la galaxie elliptique M87 à environ 53 millions d'années-lumière de la Voie lactée. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Perimeter Institute for Theoretical PhysicsTrous noirs : le prix Nobel de physique pour ChandrasekharSubrahmanyan Chandrasekhar avait prévu la formation des trous noirs avant tout le monde au début des années 1930 en découvrant qu’une étoile ayant épuisé son carburant nucléaire et dont la masse dépassait 1,44 masse solaire devait s’effondrer sur elle-même. Bien qu’un tel effondrement gravitationnel puisse parfois simplement conduire à la formation d’une étoile à neutrons, il peut aussi conduire à celle d'un trou noir, comme Robert Oppenheimer et George Volkoff l’ont montré en compagnie d’Hartland Snyder.La théorie des trous noirs fit l’objet d’impressionnants travaux de la part de Chandrasekhar pendant les années 1970. Avec sa découverte de ce qui s’appelle maintenant « la masse de Chandrasekhar », ils furent en partie à l’origine de son prix Nobel de physique, obtenu en 1983. Comme d’habitude pour la remise de ce prix, le lauréat donna une conférence. À la fin de celle-ci, le grand astrophysicien indien fit de fascinantes remarques concernant la théorie mathématique des trous noirs :« Je ne sais pas si toute la portée de ce que j'ai dit est claire. Laissez-moi vous expliquer. Les trous noirs sont des objets macroscopiques avec des masses variant de quelques masses solaires à des milliards de masses solaires. Lorsqu’ils peuvent être considérés comme stationnaires et isolés, ils sont tous, chacun d'entre eux, décrits exactement par la solution de Kerr. C'est le seul cas connu où nous avons une description exacte d'un objet macroscopique.Les objets macroscopiques tout autour de nous sont régis par une variété de forces, décrites par diverses approximations de plusieurs théories physiques. […] En revanche, les seuls éléments de construction de trous noirs sont nos concepts de base de l'espace et du temps. Ils sont ainsi, presque par définition, les objets macroscopiques les plus parfaits de l'univers. Et, puisque la théorie de la relativité générale nous fournit une famille de solutions dépendant uniquement de deux paramètres pour leur description, ils sont aussi les objets les plus simples de l’univers ».Trous noirs : le rayonnement de HawkingCes considérations posent problème car elles conduisent à penser que toute l’information contenue dans les objets tombant dans un trou noir (à commencer par celle contenue dans une étoile se transformant en trou noir) est définitivement détruite, ou pour le moins inaccessible. Un trou noir devrait donc posséder une entropie et, comme tout objet possédant une entropie, il devrait posséder une température et rayonner. C’est la conclusion à laquelle est arrivé Stephen Hawking en appliquant la mécanique quantique aux trous noirs, ce qui lui a permis de découvrir que ceux-ci devaient émettre du rayonnement à la façon d’un corps noir chauffé.Les trous noirs devraient donc s’évaporer par rayonnement Hawking. Pourtant, aucune observation ne soutient cette théorie à ce jour, bien qu’elle semble très solide sur les bases de la physique théorique actuelle. Elle conduit cependant à des paradoxes, comme le paradoxe de l’information et le paradoxe du pare-feu, dont les solutions révolutionneraient la physique.Les astrophysiciens cherchent à démontrer que les objets qui se comportent comme des trous noirs le sont vraiment, c’est-à-dire qu’ils possèdent des horizons des évènements. L’étude des ondes gravitationnelles émises par des fusions de trous noirs, avec Ligo mais surtout eLisa, et peut-être aussi le Event Horizon Telescope (EHT), pourrait nous apporter des réponses à ce sujet. Ligo a détecté directement sur Terre pour la première fois les ondes émises par une telle fusion de trous noirs en 2015 et les membres de la la collaboration EHT ont révélé une première image d'un trou noir supermassif avec son horizon des événements le 10 avril 2019. L'image est celle du trou noir au centre de la galaxie M87 et elle est conforme à celle prédite sur ordinateur pour la première fois par Jean-Pierre Luminet en 1979.