L'image la plus haute résolution d'ALMA révèle la poussière qui brille à l'intérieur de la lointaine galaxie SDP.81. La structure en anneau a été créée par une lentille gravitationnelle qui a déformé la vue de la galaxie lointaine en une structure en forme d'anneau. Crédit :ALMA (NRAO/ESO/NAOJ)
En 1919, les astronomes Arthur Eddington et Andrew Crommelin ont capturé des images photographiques d'une éclipse solaire totale. Le soleil était dans la constellation du Taureau à l'époque, et une poignée de ses étoiles pouvait être vue sur les photographies. Mais les stars n'étaient pas tout à fait à leur place attendue. L'énorme gravité du soleil avait dévié la lumière de ces étoiles, les faisant apparaître légèrement déplacées. C'était la première démonstration que la gravité pouvait modifier la trajectoire de la lumière, comme l'avait prédit Albert Einstein en 1915.
La courbure de la lumière par la masse d'une étoile ou d'une galaxie est l'une des prédictions centrales de la relativité générale. Bien qu'Einstein ait d'abord prédit la déviation de la lumière d'une seule étoile, d'autres comme Oliver Lodge ont soutenu qu'une grande masse pouvait agir comme une lentille gravitationnelle, déformant le chemin de la lumière de la même manière qu'une lentille en verre focalise la lumière. En 1935, Einstein a démontré comment la lumière d'une galaxie lointaine pouvait être déformée par une galaxie devant elle pour créer un anneau de lumière. Un tel anneau d'Einstein, comme on l'a appelé, ferait apparaître la galaxie lointaine comme un anneau ou un arc de lumière autour de la galaxie la plus proche. Mais Einstein pensait que cet effet ne serait jamais observé. Ces arcs de lumière seraient trop faibles pour être capturés par des télescopes optiques. Einstein avait raison jusqu'en 1998, lorsque le télescope spatial Hubble a capturé un anneau autour de la galaxie B1938+666. C'était le premier anneau optique observé, mais ce n'était pas le premier anneau d'Einstein. Le premier anneau a été vu à la lumière radio, et il a été capturé par le Very Large Array (VLA).
En 1987, une équipe d'étudiants du MIT Research Lab in Electronics sous la direction du professeur Bernard Burke et dirigée par Ph.D. Jackie Hewitt, étudiante, a utilisé le VLA pour créer des images détaillées d'objets radioémetteurs connus. L'un d'eux, connu sous le nom de MG1131+0456, présentait une forme ovale distincte avec deux lobes brillants. Hewitt et son équipe ont envisagé plusieurs modèles pour expliquer la forme inhabituelle, mais seul un anneau d'Einstein correspondait aux données. La prédiction galactique d'Einstein a finalement été observée.
La première image d'un anneau d'Einstein. Il a été capturé par le VLA en 1987. Crédit :NRAO/AUI/NSF
La radioastronomie est particulièrement efficace pour capturer les galaxies à lentilles. Ils sont devenus un outil puissant pour les radioastronomes. Tout comme une lentille en verre focalise la lumière pour faire apparaître un objet plus lumineux et plus grand, il en va de même pour une lentille gravitationnelle. En observant les galaxies à lentilles, les radioastronomes peuvent étudier des galaxies qui seraient trop éloignées et trop faibles pour être vues par elles-mêmes. Les anneaux d'Einstein peuvent être utilisés pour mesurer la masse de la galaxie ou de l'amas galactique le plus proche puisque la quantité de lentille gravitationnelle dépend de la masse de la galaxie de premier plan.
L'un des aspects les plus intéressants de la lentille gravitationnelle est qu'elle peut être utilisée pour mesurer la vitesse à laquelle l'univers se dilate. La lumière d'une galaxie lointaine peut emprunter de nombreux chemins différents lorsqu'elle passe devant la galaxie de premier plan. Chacun de ces chemins peut avoir des distances différentes, ce qui signifie que la lumière peut nous atteindre à des moments différents. Nous pourrions voir un éclat de lumière de la galaxie plusieurs fois, chacun d'un chemin différent. Les astronomes peuvent l'utiliser pour calculer la distance galactique, et donc l'échelle du cosmos.
Depuis la première détection d'un anneau d'Einstein par le VLA, les radioastronomes en ont trouvé plus et les ont capturés plus en détail. En 2015, par exemple, l'Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) a réalisé une image détaillée des arcs lentilles d'une galaxie lointaine nommée SDP.81. L'image était suffisamment nette pour que les astronomes puissent retracer les arcs jusqu'à leur source afin d'étudier la formation des étoiles dans la galaxie.
Einstein rings are now commonly seen in astronomical images, particularly in deep field images, such as those of the James Webb Space Telescope and others. As radio astronomy has shown, they are more than just beautiful. They give us a new lens on the cosmos. Image:Hubble sees a 'molten ring'
