Hubble attrape une illusion cosmique prédite par Einstein il y a 86 ans

La gravité joue des tours sur nos télescopes. Prenez une image du télescope spatial Hubble publiée par l’Agence spatiale européenne le 9 août 2021. Au centre de l’image se trouve un anneau de lumière ponctué de quatre points lumineux, avec deux autres points diffus brillant au milieu. C’est un anneau d’Einstein, et son apparence est trompeuse.

Les quatre points lumineux sont en fait le même objet – un quasar – dont la lumière est amplifiée et multipliée par la gravité des deux galaxies au centre. (En fait, les données de Hubble suggèrent qu’il y a une cinquième image du quasar au milieu de l’anneau qui ne peut pas être vue à l’œil nu.) L’anneau est la lumière de toutes les étoiles de la galaxie d’origine du quasar, maculée par le même illusion : Un phénomène connu sous le nom de lentille gravitationnelle.

À son 143e anniversaire, Inverse célèbre le physicien le plus emblématique du monde – et interroge le mythe de son génie. Bienvenue à Semaine Einstein.

La lentille gravitationnelle est un prédicteur clé de la relativité générale et, dans une tournure qu’Einstein apprécierait sans aucun doute, les astronomes utilisent maintenant les anneaux qui portent son nom pour sonder la théorie qui semble expliquer son existence même.

La connexion Einstein

Dans une lettre de 1936 à La scienceEinstein a prédit que la gravité d’une étoile déformerait la lumière d’une étoile directement derrière elle en un anneau.

“Bien sûr, il n’y a aucun espoir d’observer ce phénomène directement”, écrit Einstein.

Il ne savait pas que nous aurions un jour des télescopes assez puissants pour imager des galaxies lointaines.

“[Einstein] avait le sens du sublime naturel. »

La première image connue d’un anneau d’Einstein a été capturée en 1987 à l’observatoire radio Very Large Array au Nouveau-Mexique. Un peu plus d’une décennie plus tard, Hubble a trouvé le premier complet. Depuis lors, les astronomes ont découvert de nombreux autres anneaux d’Einstein, dont celui-ci, que le groupe de Tommaso Treu du département de physique et d’astronomie de l’Université de Californie à Los Angeles a produit avec Hubble.

Une image radio du premier anneau d’Einstein directement observé par les astronomes, prise par le VLA.VLA / NASA

“Je pense qu’il aimerait ça”, dit Treu à propos d’Einstein.

« Je pense qu’il avait le sens du sublime naturel. Il avait le sens de la beauté du monde naturel, et donc je pense qu’il aimerait simplement la beauté pure de ces images, mais aussi le fait qu’elles soient si compréhensibles, le fait que nous puissions faire un modèle de l’univers qui décrit tout ce qui arrive à ces photons pendant des milliards d’années. »

Anneaux d’Einstein et relativité générale

C’est ce même modèle (la relativité générale) que le groupe de Treu utilise les anneaux d’Einstein pour explorer. Les anneaux eux-mêmes peuvent être de parfaits détecteurs de matière noire.

“Mon point de vue est que puisque nous savons seulement que la matière noire et l’énergie noire interagissent gravitationnellement, nous devrions utiliser la gravité pour en savoir plus”, explique-t-il.

Treu dit que la matière noire, si elle existe, pourrait modifier l’apparence de l’anneau de lumière stellaire maculée de la même manière que les rayures sur une loupe déforment une image. Selon la distorsion, les scientifiques pourraient apprendre certaines des propriétés de la matière noire.

“Il existe des centaines de théories sur ce que pourrait être la matière noire”, explique Treu.

« Avec ces lentilles, nous pouvons éliminer certaines de ces idées et, si nous avons de la chance, nous pouvons en choisir une qui fonctionne mieux que d’autres. Si la nature nous aide, nous pourrons peut-être savoir de qui il s’agit. »

“La relativité générale pourrait être fausse.”

Les anneaux d’Einstein qui incluent des quasars et d’autres objets dynamiques comme les supernovae fournissent une méthode différente pour étudier la soi-disant “tension de Hubble”, qui survient parce que différentes méthodes pour mesurer le taux d’expansion de l’univers donnent des réponses différentes lorsque la relativité générale est utilisée pour les modéliser .

“Bien sûr”, dit Treu, “il y a toujours l’alternative. C’est que la relativité générale pourrait être fausse. »

La nouvelle photo de Hubble d’un anneau d’Einstein a été publiée en août 2021.ESA

La tension de Hubble n’est qu’un élément de preuve que la relativité générale pourrait ne pas décrire l’ensemble du tableau, dit Alessandra Silvestri. Silvestri est cosmologiste théorique à l’Université de Leiden aux Pays-Bas.

Un problème plus mystérieux est que l’expansion de l’univers s’accélère, ce qui nécessite de l’énergie noire pour contrer la force de gravité.

“La découverte de l’accélération cosmique a donné un élan impressionnant à l’exploration d’alternatives à la relativité générale”, explique Silvestri. Inverse.

“En effet, parmi les questions ouvertes (matière noire, inflation et accélération cosmique), c’est celle qui nous fait vraiment nous demander si nous devons aller au-delà de la relativité générale dans notre description de la gravité à de grandes échelles cosmologiques.”

Treu est sceptique quant au fait que la relativité générale finira par se révéler fausse.

“Il y a tellement de preuves que la relativité générale fonctionne, et il y a si peu d’alternatives”, dit-il.

“Je pense que la solution la plus simple est toujours qu’il y ait des particules que nous ne connaissons pas. Mais en fin de compte, nous devons être humbles et la nature décide. Ce n’est pas à nous de décider quelle est la bonne réponse, donc nous devrons continuer d’essayer.”

À son 143e anniversaire, Inverse célèbre le physicien le plus emblématique du monde – et interroge le mythe de son génie. Bienvenue à Semaine Einstein.

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