Astronomie

Première observation visuelle confirmée des lentilles gravitationnelles

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Est-il possible d'identifier le premier observation directe de la lentille gravitationnelle ?

Quel objet a été visé et où l'énergie détectée est-elle tombée sur le spectre électromagnétique ?


Le premier objet à lentille gravitationnelle identifié est connu sous le nom de Twin Quasar.

Le Twin Quasar (également connu sous le nom de Twin QSO, Double Quasar, SBS 0957+561, TXS 0957+561, Q0957+561 ou QSO 0957+561 A/B), a été découvert en 1979 et a été le premier objet à lentille gravitationnelle identifié. Il s'agit d'un quasar qui apparaît sous forme de deux images, résultat de la lentille gravitationnelle causée par la galaxie YGKOW G1 située dans la ligne de mire entre la Terre et le quasar.

Vous pouvez le voir juste au milieu de cette image:

Les deux images du Twin Quasar sont séparées de 6 secondes d'arc. Les deux images ont une magnitude apparente de 17, la composante A ayant 16,7 et la composante B 16,5. Il y a un décalage de 417 ± 3 jours entre les deux images.

Les quasars QSO 0957+561A/B ont été découverts début 1979 par une équipe anglo-américaine autour de Dennis Walsh, Robert Carswell et Ray Weyman, à l'aide du télescope de 2,1 m de l'observatoire national de Kitt Peak en Arizona, aux États-Unis.

[… ]

Les critiques ont cependant identifié une différence d'apparence entre les deux quasars dans les images radiofréquences. Au milieu de 1979, une équipe dirigée par David Roberts au VLA (Very Large Array) près de Socorro, Nouveau-Mexique/États-Unis a découvert un jet relativiste émergeant du quasar A sans équivalent correspondant dans le quasar B. De plus, la distance entre les deux images, 6 secondes d'arc, était trop importante pour avoir été produite par l'effet gravitationnel de la galaxie G1, une galaxie identifiée près du quasar B.

Jeune et al. découvert que la galaxie G1 fait partie d'un amas de galaxies, ce qui augmente la déviation gravitationnelle et peut expliquer la distance observée entre les images. Enfin, une équipe dirigée par Marc V. Gorenstein a observé des jets relativistes essentiellement identiques à de très petites échelles de A et B en 1983 en utilisant VLBI (Very Long Baseline Interferometry). La différence entre les images radio à grande échelle est attribuée à la géométrie spéciale nécessaire à la lentille gravitationnelle, qui est satisfaite par le quasar mais pas par la totalité de l'émission de jet étendue vue par le VLA près de l'image A.


Une brève histoire de la lentille gravitationnelle

Dérivation par Einstein de la déviation de la lumière dans le champ gravitationnel du Soleil et concordance entre la prédiction quantitative de cette déviation basée sur sa théorie de la relativité générale et les observations faites par une expédition sous la direction d'Arthur Stanley Eddington (1882). -1944), constituent l'un des épisodes les plus connus de l'histoire de la relativité générale.

Cependant, il existe un fait moins connu, mais étroitement lié. Dès 1912, trois bonnes années avant sa percée finale dans la formulation de la relativité générale, Einstein a écrit une description concise de l'une des conséquences les plus importantes de la déviation de la lumière : la possibilité d'un lentille gravitationnelle (géométrique).


Première observation visuelle confirmée des lentilles gravitationnelles - Astronomie

Nous rapportons l'observation et la confirmation des premiers systèmes de lentilles gravitationnelles fortes à l'échelle du groupe et de l'amas trouvés dans les données du Dark Energy Survey. Grâce à une inspection visuelle des données de la saison de vérification scientifique, nous avons identifié 53 systèmes candidats. Nous avons ensuite obtenu un suivi spectroscopique de 21 candidats à l'aide du spectrographe multi-objets Gemini du télescope Gemini South et de la caméra et spectrographe Inamori-Magellan Areal du télescope Magellan/Baade. Avec ce suivi, nous avons confirmé six candidats comme lentilles gravitationnelles : trois des systèmes sont nouvellement découverts et les trois autres étaient connus auparavant. Sur les 21 candidats observés, les 15 autres n'ont pas été détectés dans les observations spectroscopiques, ont été observés et n'ont pas présenté d'émission continue (ou de caractéristiques spectrales), ou ont été exclus en tant que systèmes de lentilles. L'échantillon confirmé se compose d'une lentille à l'échelle du groupe et de cinq lentilles à l'échelle de l'amas de galaxies. Les sources à lentilles varient en décalage vers le rouge z ∼ 0,80-3,2 et en luminosité de surface de bande I I SB ∼ 23-25 ​​mag arcsec -2 (ouverture 2″). Pour chacun des six systèmes, nous estimons le rayon d'Einstein θ E et la masse enfermée M enc , qui ont des plages θ E ∼ 5″-9″ et M enc ∼ 8 × 10 12 à 6 × 10 13 M ⊙ , respectivement.

Cet article comprend des données recueillies avec les télescopes Magellan de 6,5 m situés à l'observatoire de Las Campanas, au Chili.


Les galaxies déformées révèlent des signes de la matière noire cachée de l'univers

Des visions déformées d'amas de galaxies lointaines offrent un reflet de la matière invisible à l'intérieur d'eux que les astronomes utilisent pour cartographier le côté invisible de l'univers.

En utilisant le télescope spatial Hubble, les astronomes ont observé le premier d'un certain nombre d'amas de galaxies qu'ils espèrent utiliser pour construire un recensement cosmique de la matière noire cachée. La matière noire, censée représenter 98% de toute la matière de l'univers, ne peut pas être vue, seulement ressentie par son attraction gravitationnelle.

Pour savoir où se trouve la matière noire et quelle est sa quantité, les scientifiques recherchent un effet appelé lentille gravitationnelle. Cette courbure de la lumière est causée lorsque la masse - y compris la matière noire - déforme l'espace-temps, faisant parcourir à la lumière un chemin tortueux. L'effet final est une vue courbée de type miroir amusant d'objets cosmiques distants.

La lentille observée est toujours plus forte qu'elle ne devrait l'être en se basant uniquement sur la matière visible. En compensant cet effet, les chercheurs peuvent déduire quelle composante est causée par la présence de matière noire. [Voir la vidéo de la vue déformée de la galaxie de Hubble]

Les scientifiques prévoient d'observer un total de 25 amas de galaxies dans le cadre d'un projet appelé CLASH (Cluster Lensing and Supernova survey with Hubble).

L'un des premiers objets observés pour le nouveau recensement est l'amas de galaxies MACS J1206.2-0847. Ce conglomérat de galaxies est l'une des structures les plus massives de l'univers, et sa gigantesque attraction gravitationnelle provoque des lentilles gravitationnelles étonnantes.

En plus de courber la lumière, la lentille gravitationnelle produit souvent des images doubles de la même galaxie. Dans la nouvelle observation de l'amas MACS J1206.2-0847, les astronomes ont compté 47 images multiples de 12 galaxies nouvellement identifiées.

En menant l'enquête, les astronomes tentent non seulement de peser ces mastodontes lointains, mais d'en savoir plus sur quand et comment ils se sont formés. La théorie suggère que les premiers amas de galaxies se sont réunis il y a entre 9 et 12 milliards d'années.

Certaines recherches antérieures suggèrent que la matière noire est plus dense à l'intérieur des amas de galaxies qu'on ne le pensait auparavant. Si la nouvelle étude peut le confirmer, cela peut signifier que les amas de galaxies de l'univers se sont formés plus tôt que la plupart des scientifiques ne le supposent.


Voir l'univers à travers de nouvelles lentilles

Cette image du télescope spatial Hubble montre une lentille gravitationnelle (au centre) qui a d'abord été identifiée comme une lentille candidate à l'aide d'un réseau de neurones qui traitait les images spatiales au sol. La lentille est colorisée artificiellement et encerclée dans cette image. (Crédit : télescope spatial Hubble)

Comme des boules de cristal pour les mystères les plus profonds de l'univers, les galaxies et autres objets spatiaux massifs peuvent servir de lentilles à des objets et phénomènes plus éloignés le long du même chemin, déformant la lumière de manière révélatrice.

La lentille gravitationnelle a été théorisée pour la première fois par Albert Einstein il y a plus de 100 ans pour décrire comment la lumière se courbe lorsqu'elle passe devant des objets massifs comme les galaxies et les amas de galaxies.

Ces effets de lentille sont généralement décrits comme faibles ou forts, et la force d'une lentille se rapporte à la position et à la masse d'un objet et à la distance de la source lumineuse qui est lentille. Les lentilles puissantes peuvent avoir 100 milliards de fois plus de masse que notre soleil, faisant grossir et diviser la lumière d'objets plus éloignés sur le même chemin, par exemple, en plusieurs images, ou apparaître sous forme d'arcs ou d'anneaux dramatiques.

La principale limitation des lentilles gravitationnelles fortes a été leur rareté, avec seulement plusieurs centaines confirmées depuis la première observation en 1979, mais cela change… et rapidement.

Une nouvelle étude menée par une équipe internationale de scientifiques a révélé 335 nouveaux candidats puissants pour la lentille sur la base d'une analyse approfondie des données collectées pour un projet de télescope soutenu par le département américain de l'Énergie en Arizona appelé Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI). L'étude, publiée le 7 mai dans The Astrophysical Journal, a bénéficié de l'algorithme d'apprentissage automatique gagnant dans un concours scientifique international.

"Trouver ces objets, c'est comme trouver des télescopes de la taille d'une galaxie", a déclaré David Schlegel, scientifique principal de la division de physique du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) qui a participé à l'étude. "Ce sont de puissantes sondes de matière noire et d'énergie noire."

Ces lentilles candidates nouvellement découvertes pourraient fournir des marqueurs spécifiques pour mesurer avec précision les distances aux galaxies dans l'univers ancien si les supernovae sont observées et suivies et mesurées avec précision via ces lentilles, par exemple.

Les lentilles puissantes offrent également une puissante fenêtre sur l'univers invisible de la matière noire, qui représente environ 85 % de la matière de l'univers, car la majeure partie de la masse responsable des effets de lentille est considérée comme de la matière noire. La matière noire et l'expansion accélérée de l'univers, entraînée par l'énergie noire, sont parmi les plus grands mystères que les physiciens s'efforcent de résoudre.

Dans la dernière étude, les chercheurs ont fait appel à Cori, un superordinateur du Centre national de calcul scientifique de la recherche énergétique de Berkeley Lab (NERSC), pour comparer automatiquement les données d'imagerie de la Dark Energy Camera Legacy Survey (DECaLS) - l'une des trois enquêtes menées en vue de DESI - avec un échantillon d'apprentissage de 423 lentilles connues et 9 451 non-lentilles.

Les chercheurs ont regroupé les lentilles fortes candidates en trois catégories en fonction de la probabilité qu'elles soient, en fait, des lentilles : Grade A pour les 60 candidats les plus susceptibles d'être des lentilles, Grade B pour les 105 candidats avec des caractéristiques moins prononcées, et Grade C pour les 176 lentilles candidates qui ont des caractéristiques de lentilles plus faibles et plus petites que celles des deux autres catégories.

Xiaosheng Huang, l'auteur principal de l'étude, a noté que l'équipe avait déjà réussi à gagner du temps sur le télescope spatial Hubble pour confirmer certains des candidats lentilles les plus prometteurs révélés dans l'étude, avec un temps d'observation sur Hubble qui a commencé fin 2019.

"Le télescope spatial Hubble peut voir les moindres détails sans les effets de flou de l'atmosphère terrestre", a déclaré Huang.

Une image spatiale au sol d'un candidat à la lentille identifié dans l'étude (à gauche) et une image du télescope spatial Hubble confirmant la lentille (à droite). (Crédit : Enquête sur l'héritage de la caméra à énergie noire, télescope spatial Hubble)

Les lentilles candidates ont été identifiées à l'aide d'un réseau de neurones, qui est une forme d'intelligence artificielle dans laquelle le programme informatique est entraîné pour améliorer progressivement sa correspondance d'images au fil du temps afin de fournir un taux de réussite croissant dans l'identification des lentilles. Les réseaux de neurones informatisés sont inspirés du réseau biologique de neurones du cerveau humain.

"Il faut des heures pour former le réseau de neurones", a déclaré Huang. « Il existe un modèle d'ajustement très sophistiqué de « Qu'est-ce qu'un objectif ? » et « Qu'est-ce qu'un objectif ? » »

Il y a eu une analyse manuelle minutieuse des images d'objectif pour aider à choisir les meilleures images pour former le réseau à partir de dizaines de milliers d'images, a noté Huang. Il s'est souvenu d'un samedi au cours duquel il s'est assis avec des étudiants chercheurs pendant toute la journée pour examiner des dizaines de milliers d'images afin de développer des listes d'échantillons de lentilles et de non-lentilles.

"Nous ne les avons pas simplement sélectionnés au hasard", a déclaré Huang. "Nous avons dû compléter cet ensemble avec des exemples sélectionnés à la main qui ressemblent à des lentilles mais ne sont pas des lentilles", par exemple, "et nous avons sélectionné ceux qui pourraient être potentiellement déroutants."

Ces deux colonnes montrent des comparaisons côte à côte des lentilles gravitationnelles candidates imagées par le Dark Energy Camera Legacy Survey (couleur) et le télescope spatial Hubble (noir et blanc). (Crédit : Enquête sur l'héritage de la caméra à énergie noire, télescope spatial Hubble)

La participation des étudiants a été la clé de l'étude, a-t-il ajouté. « Les étudiants ont travaillé avec diligence sur ce projet et ont résolu de nombreux problèmes difficiles, tout en suivant une pleine charge de cours », a-t-il déclaré. L'un des étudiants qui ont travaillé sur l'étude, Christopher Storfer, a ensuite été sélectionné pour participer au programme de stages en laboratoire de premier cycle en sciences du DOE (SULI) au Berkeley Lab.

Les chercheurs ont déjà amélioré l'algorithme utilisé dans la dernière étude pour accélérer l'identification des lentilles possibles. Alors qu'environ 1 galaxie sur 10 000 agit comme une lentille, le réseau neuronal peut éliminer la plupart des non-lentilles. "Plutôt que de parcourir 10 000 images pour en trouver une, nous n'en avons maintenant que quelques dizaines", a-t-il déclaré.

Le réseau de neurones a été développé à l'origine pour le Strong Gravitational Lens Finding Challenge, un concours de programmation qui s'est déroulé de novembre 2016 à février 2017 et qui a motivé le développement d'outils automatisés pour trouver des lentilles solides.

Avec un nombre croissant de données d'observation et de nouveaux projets de télescopes comme DESI et l'observatoire Vera C. Rubin qui devrait maintenant démarrer en 2023, la concurrence est vive pour extraire ces données à l'aide d'outils sophistiqués d'intelligence artificielle, a déclaré Schlegel.

"Cette compétition est bonne", a-t-il déclaré. Une équipe basée en Australie, par exemple, a également trouvé de nombreux nouveaux candidats lentilles utilisant une approche différente. "Environ 40 pour cent de ce qu'ils ont trouvé, nous ne l'avons pas fait", de même que l'étude à laquelle Schlegel a participé a trouvé de nombreux candidats à l'objectif que l'autre équipe n'avait pas.

Huang a déclaré que l'équipe avait élargi sa recherche d'objectifs dans d'autres sources de données d'imagerie du ciel, et l'équipe envisage également de se connecter à un ensemble plus large de ressources informatiques pour accélérer la chasse.

"L'objectif pour nous est d'atteindre 1 000" nouveaux candidats lentilles, a déclaré Schlegel.

NERSC est une installation d'utilisateurs du DOE Office of Science.

Les participants à l'étude comprenaient des chercheurs de l'Université de San Francisco, du Berkeley Lab, du National Optical Astronomy Observatory, du Siena College, de l'Université du Wyoming, de l'Université de l'Arizona, de l'Université de Toronto et du Perimeter Institute for Theoretical Physics in Canada et de l'Université Paris -Saclay en France.

Ce travail a été soutenu par le programme Computational High Energy Physics du Department of Energy's Office of High Energy Physics à travers le projet Cosmology Data Repository et le National Optical Astronomy Observatory, qui est géré par l'Association des universités pour la recherche en astronomie (AURA) sous accord de coopération avec la National Science Foundation. Le NERSC est soutenu par le programme Advanced Scientific Computing Research (ASCR) du Department of Energy Office of Science.


Première observation visuelle confirmée des lentilles gravitationnelles - Astronomie

    la lumière passant à proximité d'un objet massif doit être sensiblement courbée. La quantité de flexion augmente à mesure que la masse augmente.

Observation: Pendant une éclipse solaire, vous voyez que les étoiles le long de la même ligne de mire que le Soleil sont décalées « vers l'extérieur ». C'est parce que la lumière de l'étoile derrière le Soleil est courbée vers le Soleil et vers la Terre. La lumière vient d'une direction différente de celle où se trouve réellement l'étoile. Mais la loi de la gravité de Newton et le résultat de la loi d'Einstein ne seraient-ils pas Relativité restreinte théorie que E = mc 2 prévoir aussi la déviation de la lumière ? Oui mais seulement la moitié. La Relativité Générale dit que temps est également étiré, de sorte que la déviation est deux fois plus importante.

Observation: On observe que la lumière des quasars est courbée par lentilles gravitationnelles produites par les galaxies entre la Terre et les quasars. Il est possible de voir deux ou plusieurs images identiques du même quasar d'arrière-plan. Dans certains cas, la lumière des quasars ou des galaxies de fond peut être déformée pour former des anneaux. Étant donné que la quantité de déformation dépend de la masse de la galaxie de premier plan, vous pouvez estimer la masse totale de la galaxie de premier plan.

La croix d'Einstein (Q2237+0305) est formée d'une galaxie au premier plan qui projette la lumière d'un quasar d'arrière-plan en 4 images.

Image reproduite avec l'aimable autorisation de Bill Keel. Le noyau de la galaxie produit l'image. Image agrandie du noyau à droite.

Ci-dessous, une image du télescope spatial Hubble montrant la lentille d'une galaxie d'arrière-plan par un amas de galaxies à l'avant. Les arcs bleus déformés visibles autour du centre de l'image sont la galaxie d'arrière-plan lentille. Si vous sélectionnez l'image, une version agrandie apparaîtra (avec l'aimable autorisation du Space Telescope Science Institute). Les observations de lentilles gravitationnelles sont maintenant si courantes, que nous l'utilisons pour cartographier la distribution de la matière noire (voir aussi ce lien), pour examiner des objets extrêmement éloignés qui ont été suffisamment grossis pour que nous puissions les étudier et qui autrement auraient été indétectables, et à la recherche d'exoplanètes.

le temps devrait courir ``plus lentement'' près d'une grande masse. Cet effet est appelé dilatation du temps. Par exemple, si quelqu'un sur un objet massif (appelez sa personne A) envoie un signal lumineux à quelqu'un loin de toute source de gravité (appelez-le personne B) toutes les secondes selon son horloge sur l'objet massif, la personne B recevra les signaux dans des intervalles de temps plus espacés d'une seconde. Selon la personne B, l'horloge de l'objet massif tourne lentement.

Observation: a) Les horloges des avions bien au-dessus du sol plus rapide que ceux au sol. L'effet est faible puisque la masse de la Terre est petite, donc des horloges atomiques doivent être utilisées pour détecter la différence. b) Le système de positionnement global par satellite (GPS) doit compenser les effets de la relativité générale ou les positions qu'il donne pour les emplacements seraient considérablement décalées.

la lumière s'échappant d'une grande masse devrait perdre de l'énergie --- la longueur d'onde doit augmenter puisque la vitesse de la lumière est constante. Une gravité de surface plus forte produit une augmentation plus importante de la longueur d'onde.

C'est une conséquence de la dilatation du temps. Supposons que la personne A sur l'objet massif décide d'envoyer de la lumière d'une fréquence spécifique F à la personne B tout le temps. Alors à chaque seconde, F les crêtes des vagues quittent la personne A. Les mêmes crêtes des vagues sont reçues par la personne B dans un intervalle de temps de (1+z) secondes. Il reçoit les ondes à une fréquence de F/(1+z). N'oubliez pas que la vitesse de la lumière c = (la fréquence F) × (la longueur d'onde l ). Si la fréquence est réduite de (1+z) fois, la longueur d'onde doit AUGMENTER de (1+z) fois : l à B = (1+z) × l à. Dans l'effet Doppler, cet allongement de la longueur d'onde est appelé un décalage vers le rouge. Pour la gravité, l'effet est appelé un décalage vers le rouge gravitationnel.

Observation: les raies spectrales de la couche supérieure des naines blanches sont considérablement décalées d'une quantité prédite pour les objets compacts de masse solaire. La naine blanche doit être dans un système binaire avec un compagnon de séquence principale afin que le montant du décalage total dû à l'effet Doppler ordinaire puisse être déterminé et soustrait. À l'intérieur de l'horizon des événements d'un trou noir, la lumière est décalée vers le rouge vers une longueur d'onde infiniment longue.

Observation: Avant le 14 septembre 2015, les détecteurs les plus sensibles n'avaient pas détecté directement le minuscule étirement-rétrécissement de l'espace-temps causé par un objet massif en mouvement. À cette date, les détecteurs jumeaux LIGO (décrits ci-dessous) ont détecté le "chirp" de deux trous noirs de masse stellaire fusionnant. Jusque-là, les meilleures preuves que nous avions des ondes gravitationnelles provenaient des observations des orbites en décomposition d'un système de pulsar binaire découvert en 1974 par Russell Hulse et Joseph Taylor. La spirale vers l'intérieur du système de pulsars binaires ne peut s'expliquer que par des ondes de gravité transportant de l'énergie des pulsars lorsqu'ils tournent l'un autour de l'autre. Cette observation fournit un test de champ de gravité très fort de la relativité générale.

Les deux pulsars du système binaire appelé PSR1913+16 orbitent très rapidement avec une période de seulement 7,75 heures sur des orbites elliptiques très excentriques et petites qui les rapprochent jusqu'à 766 000 kilomètres, puis les déplacent rapidement à plus de 3,3 millions de kilomètres l'un de l'autre. En raison de leurs grandes masses (chacune supérieure à la masse du Soleil) et de leurs petites distances changeant rapidement, les ondulations de la gravité devraient être perceptibles. Hulse et Taylor ont découvert que la vitesse de l'orbite et la séparation de PSR1913+16 changent exactement de la manière prédite par la relativité générale. Ils ont reçu le prix Nobel de physique pour cette découverte.

Cependant, il s'agit d'un indirect observation des ondes gravitationnelles. La première détection directe d'ondes gravitationnelles a eu lieu à la mi-septembre 2015 (mais annoncée le 11 février 2016) avec des détecteurs jumeaux LIGO à Hanford, WA et Livingston, LA (tous deux aux États-Unis) lorsque les ondulations de l'espace-temps de la dernière fraction de seconde du fusion de deux trous noirs avec des masses 29 et 36 masses solaires combinées pour former un trou noir de 62 masses solaires avec 3 masses solaires d'énergie rayonnées sous forme d'ondes gravitationnelles dans cette dernière fraction de seconde. C'est environ 50 fois plus d'énergie produite par le reste de l'univers visible !

Le Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) est un effort international visant à détecter directement les très petites ondulations de l'espace-temps traversant la Terre. La configuration de base de LIGO implique deux bras longs de plusieurs kilomètres perpendiculaires l'un à l'autre. À chaque extrémité des bras se trouvent des miroirs qui font rebondir la lumière laser plusieurs fois, puis sont recombinés pour former un motif d'interférence de franges claires et sombres, car différentes parties des hauteurs et des creux d'une vague s'annulent ou se combinent avec les hauteurs et les creux d'une autre vague. à des degrés divers. Sans aucune ondulation spatio-temporelle, les ondes lumineuses laser des deux bras s'annuleront parfaitement, de sorte que rien n'atteindra un photodétecteur. Une onde de gravité traversant un site LIGO étirera l'un des bras tout en serrant l'autre bras, puis inversera l'effet au fur et à mesure que les ondes de gravité passeront. Cela entraînera un déphasage de la lumière combinée des deux bras, ce qui entraînera une partie de la lumière laser atteignant le photodétecteur. Le photodétecteur mesure ensuite la fluctuation de la lumière dans le temps. Le défi technologique est de détecter des changements infimes dans la longueur des bras aussi petits que 10 -18 mètres (beaucoup plus petits qu'un proton !) au milieu de tous les "bruits" terrestres tels que les événements sismiques, les vagues océaniques qui frappent la terre, les ondes sonores, les fluctuations laser aléatoires et les effets thermiques des matériaux utilisés qui peuvent facilement submerger les très faibles ondulations des ondes de gravité de l'espace-temps. Un schéma pour la version des États-Unis est présenté ci-dessous (adapté d'un diagramme dans un jeu de diapositives de Rainer Weiss).

Les sites LIGO sont situés aux États-Unis (à Hanford, WA et Livingston, LA), en Allemagne (près de Hanovre), en Italie (près de Pise), au Japon (à la mine de Kamioka), et un futur site en Australie. Les premières versions de LIGO n'ont détecté aucune onde gravitationnelle. Ces résultats négatifs n'étaient cependant pas surprenants, car les innovations technologiques nécessaires en matière de matériel et de logiciel étaient encore en cours de développement, ainsi que notre capacité à analyser les ondes faibles au milieu de tout le bruit. Entre fin 2010 et début 2015, Advanced LIGO a été installé sur les deux sites américains et a commencé les observations en septembre 2015. Advanced LIGO multiplie par dix la sensibilité de détection des ondes de gravité. Être capable de détecter des ondes de gravité provenant de sources dix fois plus éloignées signifie une augmentation de mille fois le volume de l'espace ou de mille fois le nombre de sources possibles. Cette sensibilité accrue a permis de détecter les ondes gravitationnelles des trous noirs fusionnant vers la fin de la première campagne d'observation en septembre 2015.

De nombreuses informations sur le système sont codées dans la forme d'onde gravitationnelle. Par exemple avec les systèmes binaires fusionnés : l'amplitude de l'onde gravitationnelle dépend des masses des objets fusionnants et la distance de la source par rapport à nous la fréquence dépend de la masse et de la période orbitale des objets comment la fréquence change dépend du rapport de les masses et la fréquence maximale avant la fusion des objets nous indiquent le diamètre des objets. Étant donné que de nombreux paramètres du système (par exemple, la masse, la distance de séparation, la distance au système, etc.) sont étroitement liés à la façon dont ils façonnent la forme d'onde gravitationnelle, les scientifiques comparent la forme d'onde observée à une base de données de formes d'onde calculées avec différentes combinaisons de paramètres pour trouver le meilleur ajustement ainsi que pour tamiser le signal des ondes gravitationnelles de toutes les autres sources de bruit terrestres. Avec les différences de temps où les ondes gravitationnelles frappent différents détecteurs, nous pouvons déterminer la direction d'où les ondes sont venues.

Les ondes gravitationnelles ont été détectées par le détecteur Livingston 7 millisecondes avant le détecteur Hanford alors que les ondes gravitationnelles se déplaçaient à la vitesse de la lumière depuis la direction du ciel de l'hémisphère sud, à peu près dans la même direction que le Grand Nuage de Magellan. La source était beaucoup plus éloignée que le LMC car les ondes gravitationnelles avaient voyagé entre 700 millions d'années et 1,6 milliard d'années. (La détection par seulement deux détecteurs rend impossible une mesure plus précise de la direction et de la distance.) LIGO a pu voir les trois phases de la collision --- spirale vers l'intérieur, fusion et sonnerie alors que l'objet fusionné s'installait --- se produire dans la manière juste prédite par la Relativité Générale. L'amplitude et la fréquence croissantes des ondes pendant la fusion, si elles étaient converties en ondes sonores, produiraient un son semblable au gazouillis d'un oiseau. Les scientifiques de LIGO l'appellent donc le gazouillis d'une fusion de trou noir. Plusieurs autres détections ont été faites au cours de la campagne d'observation de l'automne 2015 et beaucoup d'autres sont attendues dans les futures campagnes d'observation, car la sensibilité d'Advanced LIGO est encore augmentée. Espérons qu'avec ce catalogue de détections, nous commencerons à voir des divergences par rapport aux prédictions de la théorie de la relativité générale qui nous mèneront à une compréhension encore plus approfondie de la gravité, en particulier dans le domaine quantique.

Le cinquième événement d'onde gravitationnelle (GW170817), détecté à la mi-août 2017, était probablement encore plus important que la première détection car c'était le premier dont la source produisait également un rayonnement électromagnétique que nous pouvions observer avec des télescopes terrestres et spatiaux. Contrairement aux quatre premiers événements d'ondes gravitationnelles qui impliquaient des fusions de trous noirs, le cinquième événement impliquait la fusion d'étoiles à neutrons. Les étoiles à neutrons se sont heurtées les unes aux autres pour créer un type d'explosion appelé "kilonova" qui est mille fois plus énergétique qu'une nova normale. L'utilisation des télescopes nous a permis de localiser son emplacement dans une galaxie elliptique appelée NGC 4993, à 130 millions d'années-lumière. En plus de confirmer les théories sur la source de certains sursauts gamma de courte durée et le mécanisme de formation de nombreux éléments lourds, notamment le platine, le plomb, l'or et les terres rares, les ondes gravitationnelles nous ont permis d'obtenir une distance à la galaxie indépendante de la procédure pas à pas habituelle appelée "échelle d'échelle de distance". Le couplage de cette mesure de distance directe avec les mesures de décalage vers le rouge de NGC 4993 a permis aux astronomes de déterminer la constante de Hubble qui est le taux d'expansion de l'univers. Beaucoup d'informations à partir d'un seul événement ! Les détecteurs LIGO sont analogues aux microphones qui nous permettent d'"entendre" l'univers. Avant de pouvoir détecter les ondes gravitationnelles, c'était comme si nous regardions des films muets sur l'univers (et pas non plus sous-titrés). L'association des données d'ondes gravitationnelles aux données de rayonnement électromagnétique nous donne une vision multisensorielle plus riche de l'univers.

Les physiciens ont testé d'autres prédictions de la théorie de la relativité générale avec la mission du vaisseau spatial Gravity Probe B. Le vaisseau spatial était sur une orbite polaire (pôle à pôle) à 400 milles au-dessus de la surface de la Terre. Quatre gyroscopes avec extrêmement des sphères de quartz précises et parfaites maintenaient le vaisseau spatial aligné avec une étoile de guidage particulière. Parce que la Terre déforme l'espace-temps autour d'elle et que la Terre devrait également "faire glisser" l'espace-temps autour d'elle lorsqu'elle tourne, il devrait y avoir une torsion de l'espace-temps local. Cette torsion et cet étirement de l'espace-temps local devraient entraîner un désalignement des gyroscopes de la sonde de gravité B lors de sa mise en orbite autour de la Terre. La torsion et l'étirement de l'espace-temps par la Terre devraient être très faibles en raison de la masse minuscule de la Terre, de sorte que la dérive des gyroscopes sur la sonde de gravité B était très faible et les instruments du vaisseau spatial devaient être d'une précision exquise pour détecter la légère torsion et étirement de l'espace-temps près de la Terre. Le vaisseau spatial a terminé la collecte de données en octobre 2005 et une analyse intensive des données a commencé. En avril 2007, les scientifiques ont annoncé qu'ils avaient détecté le changement prédit causé par l'étirement de l'espace-temps (l'"effet géodésique"). Après deux ans et demi supplémentaires d'analyse des données, ils ont annoncé en septembre 2009 qu'ils étaient en mesure d'extraire l'effet beaucoup plus petit causé par la torsion de l'espace-temps (l'"effet de glissement de cadre").

L'imagerie des trous noirs supermassifs au centre de M87 et de la Voie lactée par le télescope Event Horizon est une autre confirmation de la relativité générale. Les futures investigations sur les mouvements du gaz et des étoiles très proches des trous noirs fourniront de nouveaux tests des limites de la Relativité Générale dans des endroits où l'espace-temps est extrêmement déformé.


Télescope naturel : Nouveau record de grossissement pour le grossissement par lentille gravitationnelle

Les galaxies extrêmement éloignées sont généralement trop faibles pour être vues, même par les plus grands télescopes. Mais la nature a une solution : la lentille gravitationnelle, prédite par Albert Einstein et observée de nombreuses fois par les astronomes. Aujourd'hui, une équipe internationale d'astronomes, dirigée par Harald Ebeling de l'Institut d'astronomie de l'Université d'Hawaï à Manoa, a découvert l'un des cas les plus extrêmes de grossissement par lentille gravitationnelle.

En utilisant le télescope spatial Hubble pour étudier un échantillon d'énormes amas de galaxies, l'équipe a trouvé une galaxie lointaine, eMACSJ1341-QG-1, qui est agrandie 30 fois grâce à la distorsion de l'espace-temps créée par l'amas de galaxies massif surnommé eMACSJ1341. 9-2441.

L'effet physique sous-jacent de la lentille gravitationnelle a été confirmé pour la première fois lors de l'éclipse solaire de 1919 et peut considérablement agrandir les images de sources célestes distantes si un objet suffisamment massif se trouve entre la source de fond et les observateurs.

Les amas de galaxies, d'énormes concentrations de matière noire et de gaz chaud entourant des centaines ou des milliers de galaxies individuelles, toutes liées par la force de gravité, sont considérées par les astronomes comme de puissantes « lentilles gravitationnelles ». By magnifying the galaxies situated behind them, massive clusters act as natural telescopes that allow scientists to study faint and distant sources that would otherwise be beyond the reach of even the most powerful human-made telescopes.

"The very high magnification of this image provides us with a rare opportunity to investigate the stellar populations of this distant object and, ultimately, to reconstruct its undistorted shape and properties," said team member Johan Richard of the University of Lyon, who performed the lensing calculations.

Although similarly extreme magnifications have been observed before, the discovery sets a record for the magnification of a rare "quiescent" background galaxy -- one that, unlike our Milky Way, does not form new stars in giant clouds of cool gas.

Explained UH team leader Ebeling, "We specialize in finding extremely massive clusters that act as natural telescopes and have already discovered many exciting cases of gravitational lensing. This discovery stands out, though, as the huge magnification provided by eMACSJ1341 allows us to study in detail a very rare type of galaxy."


Remarques

As stated above. Only very recently it was shown that Einstein had derived these equations as early as 1912, but did not bother to publish them [120].

A detailed description of optics in curved spacetimes and a derivation of the lens equation from Einstein’s field equations can be found in Chapter 3 and 4 of [135].

In cosmology, the various methods to define distance diverge (see, e.g. Chapters 14.4 of [202] or 3.5 of [169]). The relevant distances for gravitational lensing are the angular diameter distances, see [128].

Due to the fact that physical objects have a finite size, and also because at some limit wave optics has to be applied, in reality the magnification stays finite.

This does not violate energy conservation, since this is the magnification relative to an “empty” universe and not relative to a “smoothed out” universe. This issue is treated in detail in, e.g., [165] or in Chapter 4.5 of [169].

There exists a theorem that gravitational lenses should produce an odd number of images (e.g., [120]).

This can be seen very simply: Imagine a lens situation like the one displayed in Figure 2. If now all length scales are reduced by a factor of two and at the same time all masses are reduced by a factor of two, then for an observer the angular configuration in the sky would appear exactly identical. But the total length of the light path is reduced by a factor of two. Now, since the time delay between the two paths is the same fraction of the total lengths in either scenario, a measurement of this fractional length allows to determine the total length, and hence the Hubble constant, the constant of proportionality between distance and redshift.

Similarly, one cannot determine the temperature of a black body by measuring the energy of a single photon emitted by the black body, but one needs to measure a large number of them and compare with some underlying theory.

A well-known exception is the light deflection at the solar limb, where the difference between the lensed and the unlensed positions of stars was used to confirm General Relativity, see Chapter 2.


Image: Gravitational lensing in galaxy YGKOW G1

Credit: ESA/NASA

(Phys.org) —In this new Hubble image two objects are clearly visible, shining brightly. When they were first discovered in 1979, they were thought to be separate objects—however, astronomers soon realized that these twins are a little too identical! They are close together, lie at the same distance from us, and have surprisingly similar properties. The reason they are so similar is not some bizarre coincidence they are in fact the same object.

These cosmic doppelgangers make up a double quasar known as QSO 0957+561, also known as the "Twin Quasar," which lies just under 14 billion light-years from Earth. Quasars are the intensely powerful centers of distant galaxies. So, why are we seeing this quasar twice?

Some 4 billion light-years from Earth—and directly in our line of sight—is the huge galaxy YGKOW G1. This galaxy was the first ever observed gravitational lens, an object with a mass so great that it can bend the light from objects lying behind it. This phenomenon not only allows us to see objects that would otherwise be too remote, in cases like this it also allows us to see them twice over.

Along with the cluster of galaxies in which it resides, YGKOW G1 exerts an enormous gravitational force. This doesn't just affect the galaxy's shape, the stars that it forms, and the objects around it—it affects the very space it sits in, warping and bending the environment and producing bizarre effects, such as this quasar double image.

The first detection of gravitational lensing meant more than just the discovery of an impressive optical illusion allowing telescopes like Hubble to effectively see behind an intervening galaxy. It was evidence for Einstein's theory of general relativity. This theory had identified gravitational lensing as one of its only observable effects, but until the observation of these quasar "twins," no such lensing had been observed since the idea was first mooted in 1936.


Astronomers discover an unusual cosmic lens

These images of the first-ever foreground quasar (blue) lensing a background galaxy (red) were taken with the Keck II telescope using laser guide-star adaptive optics. Credit: Courbin, Meylan, Djorgovski, et al., EPFL/Caltech/WMKO.

Astronomers at the California Institute of Technology (Caltech) and Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) in Switzerland have discovered the first known case of a distant galaxy being magnified by a quasar acting as a gravitational lens. The discovery, based in part on observations done at the W. M. Keck Observatory on Hawaii's Mauna Kea, is being published July 16 in the journal Astronomy & Astrophysics.

Quasars, which are extraordinary luminous objects in the distant universe, are thought to be powered by supermassive black holes in the cores of galaxies. A single quasar could be a thousand times brighter than an entire galaxy of a hundred billion stars, which makes studies of their host galaxies exceedingly difficult. The significance of the discovery, the researchers say, is that it provides a novel way to understand these host galaxies.

"It is a bit like staring into bright car headlights and trying to discern the color of their rims," says Frédéric Courbin of EPFL, the lead author on the paper. Using gravitational lensing, he says, "we now can measure the masses of these quasar host galaxies and overcome this difficulty."

According to Einstein's general theory of relativity, if a large mass (such as a big galaxy or a cluster of galaxies) is placed along the line of sight to a distant galaxy, the part of the light that comes from the galaxy will split. Because of this, an observer on Earth will see two or more close images of the now-magnified background galaxy.

The first such gravitational lens was discovered in 1979, and produced an image of a distant quasar that was magnified and split by a foreground galaxy. Hundreds of cases of gravitationally lensed quasars are now known. But, until the current work, the reverse process—a background galaxy being lensed by the massive host galaxy of a foreground quasar—had never been detected.

Using gravitational lensing to measure the masses of distant galaxies independent of their brightness was suggested in 1936 by Caltech astrophysicist Fritz Zwicky, and the technique has been used effectively for this purpose in recent years. Until now, it had never been applied to measure the masses of quasar hosts themselves.

To find the cosmic lens, the astronomers searched a large database of quasar spectra obtained by the Sloan Digital Sky Survey (SDSS) to select candidates for "reverse" quasar-galaxy gravitational lensing. Follow-up observations of the best candidate—quasar SDSS J0013+1523, located about 1.6 billion light years away—using the W. M. Keck Observatory's 10-meter telescope, confirmed that the quasar was indeed magnifying a distant galaxy, located about 7.5 billion light years away.

These images of the first-ever foreground quasar (blue) lensing a background galaxy (red) were taken with the Keck II telescope using laser guide-star adaptive optics. Credit: Courbin, Meylan, Djorgovski, et al., EPFL/Caltech/WMKO.

"We were delighted to see that this idea actually works," says Georges Meylan, a professor of physics and leader of the EPFL team. "This discovery demonstrates the continued utility of gravitational lensing as an astrophysical tool."

"Quasars are valuable probes of galaxy formation and evolution," says Professor of Astronomy S. George Djorgovski, leader of the Caltech team. Furthermore, he adds, "discoveries of more such systems will help us understand better the relationship between quasars and the galaxies which contain them, and their coevolution."