Simulateur de mirages gravitationnels :

une expérience didactique réalisée par J. Surdej

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(Département d'Astrophysique, Géophysique et Océanographie, AEOS, Université de Liege)
pour RéjouiSciences (Faculté des Sciences, ULg)

lentille gravitationnelle

La figure ci-dessus montre deux simulateurs de lentille gravitationnelle, conçus et construits par J. et A. Surdej, au National Air and Space Science Museum (NASM, Washington) dans le cadre de l'exposition de Cosmologie 2000-2025.

En 1979, trois astronomes anglo-saxons, Walsh, Carswell et Weymann ont découvert par hasard dans le ciel le premier exemple de mirage gravitationnel, une illusion à l'échelle cosmique, composé de deux images brillantes d'un quasar d'arrière-plan (un noyau actif de galaxie), formées par une lentille gravitationnelle d'avant-plan (une galaxie massive; voir les Figures 1a et 1b).

test

La formation de tels mirages cosmiques avait été prédite dans le cadre le la relativité générale élaborée en 1917. Suivant cette théorie, Einstein prédit que les rayons lumineux émis par une source d'arriere-plan sont déviés au voisinage d'une masse suffisamment compacte interposée le long de la ligne de visée, comme celle d'une étoile, d'une galaxie ou encore d'un amas de galaxies. Des lors, une grande concentration de masse peut agir comme une sorte de lentille, appelée lentille gravitationnelle. Une expérience didactique simple permet de simuler de tels effets.

lentille en plexiglas lentille en plexiglas
La lentille en plexiglas présentée a la figure 2 a été fabriquée de façon telle que celle-ci dévie les rayons lumineux d'une source d'arriere-plan (cf. une ampoule de lampe de poche, la flamme d'une bougie, ...) avec les memes proriétés qu'un astre compact possédant une masse équivalente a environ 2/3 celle de notre Terre; ce serait le cas d'un trou noir ayant tres exactement une telle masse. Ainsi, en plaçant cette lentille en plexiglas de 15 cm de diametre a bout de bras, parfaitement alignée avec la source d'arriere-plan (figure 3), l'observateur peut apercevoir un magnifique anneau de lumiere, communément appelé anneau d'Einstein (cf. figure 4).

Lorsque les conditions d'alignement ne sont plus parfaites, l'anneau se brise en deux images (Figure 5). Celles-ci correspondent plus ou moins aux deux images du premier mirage gravitationnel découvert en 1979 (voir Figure 1). Lorsqu'on introduit une anisotropie dans la distribution de la masse du déflecteur, par exemple en inclinant légerement la lentille en plexiglas, on obtient alors une nombre d'images encore plus élevé de la source d'arriere-plan (cf. Figure 6). Une telle configuration d'images superposée a un anneau d' Einstein a été observée dans le bestiaire des astres cosmiques (cf. le mirage gravitationnel RXJ1131 récemment découvert par des astrophysiciens liégeois et illustré a la Figure 7).

anneau d'Einsteintest

Plus d'informations relatives à la description de cette expérience didactique et aux mirages gravitationnels en général sont accessibles via la page : http://www.aeos.ulg.ac.be/GL/didactics.php