Détermination de la forme d’une étoile grâce à une microlentille gravitationnelle

En 1936, dans le cadre de sa théorie de la relativité générale, Albert Einstein a prédit l’existence du phénomène de « lentille gravitation-nelle ». Ce phénomène se produit lorsque de la lumière, provenant d’une source distante, est déviée par le champ gravitationnel d’un objet qui joue le rôle de « lentille ». Ainsi, lorsque la terre se trouve alignée avec d’une part la source et d’autre part la masse déviant la lumière provenant de celle-ci, la source apparaîtra modifiée, que ce soit dans sa position, dans l’intensité de la lumière émise, dans sa dimension apparente ou dans sa forme. Cet effet d’amplification peut servir de « télescope cosmique » pour observer des objets trop éloignés ou de luminosité trop faible pour être observés directement. Ainsi, les rayons lumineux qui passent légèrement au dessus de l’objet « lentille » sont déviés vers le bas et donnent naissance à une image de la source décalée vers le haut. Quant aux rayons qui passent sous l’objet « lentille », ils sont déviés vers le haut et donnent naissance à une image de la source décalée vers le bas. De cette façon, l’objet « lentille », en perturbant le trajet des rayons lumineux donne naissance à plusieurs images de la source. Si l’observateur, la source (qui peut être une étoile) et un objet stellaire ponctuel jouant le rôle de lentille sont parfaitement alignés, l’étoile sera vue par l’observateur comme un anneau nommé « anneau d’Einstein ». Mais il s’agit d’une situation idéale et, dans la plupart des cas, l’image observée est modifiée de façon nettement plus compliquée ; comme toutes les étoiles sont en mouvement, tout grossissement significatif est transitoire, se produisant sur des échelles de temps allant de plusieurs semaines à plusieurs mois. Le grossissement peut être mesuré à partir de la luminosité observée de l’étoile source tandis que l’alignement « lentille »-source change. Ce mouvement donne naissance à un arc de lumière qui permet d’obtenir des informations à la fois sur l’objet « lentille » et sur l’étoile source. C’est ce qui fut observé en 1995 par le télescope Hubble dans le cas de l’amas de galaxies Abel 2218 qui produit des images de toute une population de galaxies lointaines. Toutefois, ces évènements sont rarement observés car ils nécessitent l’alignement des différents objets stellaires.

Pour un observateur terrestre, la "lentille" déforme et déplace les images des objets lointains. Source : RedNova

Plus l’objet jouant le rôle de lentille est massif, dans le cas par exemple d’une galaxie ou d’un amas de galaxie, plus les effets sur la lumière issue de la source seront importants. Dans le cas contraire, si la masse de la « lentille » est relativement faible, les effets seront limités ; c’est ce qui se produit dans le cas d’une microlentille. Ainsi, les perturbations causées par l’objet « lentille » ne sont pas suffisantes pour produire plusieurs images résolues de la source mais l’effet peut toujours être détecté car les images déformées de la source sont plus brillantes que la source elle-même.

La technique de la microlentille a été utilisée pour rechercher la matière noire dans l’univers ou pour détecter des planètes orbitant autour d’autres étoiles. L’université de Manchester a annoncé que Nicholas Rattenbury, un de ses chercheurs de l’observatoire Jodrell Bank a, au sein d’une collaboration internationale, utilisé cette technique pour la première fois pour déterminer la forme d’une étoile distante de 16 000 années lumières. L’évènement dû à une microlentille, nommé MOA 2002-BLG-33 ou MOA-33, a été détecté en juillet 2002 par le groupe « Microlensing Observations in Astrophysics » (MOA, une collaboration nippo-néo-zélandaise). Nicholas Rattenbury, post-doctorant à Manchester, et ses collègues ont combiné les observations de l’évènement enregistrées par cinq télescopes terrestres avec les images obtenues par le télescope spatial Hubble ; ils ont ensuite effectué une nouvelle analyse de l’évènement. Dans le cas de MOA-33, l’objet stellaire « lentille » est une étoile double et la géométrie du système observateur, lentille et source implique que le grossissement temporel observé est très sensible à la forme de la source. Les scientifiques estiment que l’étoile source impliquée dans l’évènement MOA-33 est de forme sphérique légèrement allongée. ; toutefois, du fait des incertitudes de la mesure, une forme totalement circulaire ne peut pas être exclue.

La galaxie Abell 2218 est tellement massive qu’elle déforme les images des galaxies lointaines qui apparaissent sous la forme d’arcs. Crédit : NASA/HST

Cette technique de microlentille requiert des configurations géométriques très spécifiques et très rares et, selon l’équipe, seuls 0,01 % des évènements dus à des microlentilles et détectés présentent la bonne configuration (1 000 évènements dus à des microlentilles sont observés chaque année). Afin d’être en mesure d’observer un plus grand nombre d’évènements, le groupe MOA a commandé un nouveau télescope qui devrait permettre d’augmenter le taux de détection. Des scientifiques américains envisagent également une mission spatiale intitulée « Microlensing Planet Finder » destinée à recenser tous les types de planète de notre galaxie. Un « sous-produit » de cette étude pourrait alors être la détection d’évènements semblables à MOA-33 et la fourniture d’informations sur la forme des étoiles.

Sources : Université de Manchester, 30/06/05 ; Astronomy and Astrophysics ; RedNova

Auteur : D^r Anne Prost