Observer · Ciel profond
La Croix d'Einstein
Quatre points serrés dans une croix d'à peine 1,6 seconde d'arc, au cœur de Pégase. Ce ne sont pas quatre astres : c'est UN seul quasar, à 8 milliards d'années-lumière, dont la lumière est dédoublée par la gravité d'une galaxie placée juste devant. Un mirage prédit par la relativité générale, que vous ne verrez jamais à l'oculaire — mais qui reste l'une des images les plus vertigineuses du ciel.
- 4
- images d'un même quasar, disposées en croix autour du noyau de la galaxie-lentille
- 8 milliards d'al
- distance du quasar source (décalage vers le rouge z = 1,695)
- 400 millions d'al
- distance de la galaxie de Huchra, la lentille de premier plan
- 1985
- année de la découverte par John Huchra et ses collègues
- 46 cm
- diamètre minimal pour espérer distinguer quoi que ce soit — et seule la galaxie
Ce que c'est
Un seul quasar, vu quatre fois
Regardez bien : les quatre points ne sont pas quatre objets. Ils sont la même source, un quasar unique baptisé Q2237+030 (ou QSO 2237+0305), photographié quatre fois par un seul et même tour de passe-passe cosmique. Ce quasar — le noyau incandescent d'une galaxie lointaine — se trouve à environ 8 milliards d'années-lumière, son décalage vers le rouge valant z = 1,695. Presque exactement sur la ligne de visée, mais bien plus près de nous (à 400 millions d'années-lumière, z = 0,0394), une galaxie spirale s'interpose : la galaxie de Huchra, désignée ZW 2237+030. Sa masse courbe l'espace autour d'elle, et la lumière du quasar, en la contournant, arrive jusqu'à nous par quatre chemins différents.
L'anneau d'Einstein, brisé en croix
Si le quasar, la galaxie et la Terre étaient parfaitement alignés et la lentille parfaitement sphérique, la source s'étalerait en un cercle lumineux : un anneau d'Einstein. Mais la galaxie de Huchra n'est pas une bille parfaite, et l'alignement n'est pas rigoureusement parfait. Résultat : l'anneau se brise en quatre images ponctuelles disposées en croix autour du noyau galactique. Une cinquième image, centrale, existe en théorie — mais elle est trop faible et trop noyée dans la lumière de la galaxie pour être vue.
La relativité générale, prise en flagrant délit
Einstein a prédit dès 1915, avec la relativité générale, que la gravité courbe la trajectoire de la lumière. La preuve est tombée en 1919, quand Eddington a mesuré la déviation des étoiles au ras du Soleil éclipsé (environ 1,75″). Einstein lui-même jugeait qu'un « anneau » causé par une étoile-lentille resterait à jamais invisible. Il n'imaginait pas qu'une galaxie entière ferait l'affaire : la Croix est cette prédiction devenue image, la courbure de l'espace-temps qu'on photographie.
Pourquoi les quatre images diffèrent
Les quatre chemins n'ont pas la même longueur ni ne traversent la même épaisseur de galaxie. Chaque image porte donc un éclat un peu différent — l'ensemble avoisine la magnitude 16,8, chaque tache tournant autour de la magnitude 17 — et la lumière de chacune arrive avec un léger décalage dans le temps. Ce sont des reflets d'un même événement, désynchronisés de quelques heures à quelques jours.
Un objet minuscule dans le ciel
Toute cette croix tient dans un carré de 1,6″ × 1,6″ — deux fois moins que le diamètre apparent de Jupiter réduit à un point. La galaxie-lentille qui l'entoure, elle, s'étale sur 0,87′ × 0,34′ et brille autour de la magnitude 15. Autrement dit : le décor est à la limite des amateurs, mais les quatre acteurs sont trop serrés et trop faibles pour l'œil.
| Repère | Valeur |
|---|---|
| Type d'objet | quasar quadruplé par lentille gravitationnelle (mirage cosmique) |
| Constellation | Pégase |
| Magnitude | ~16,8 (ensemble) ; ~17 par image ; galaxie-lentille ~15 |
| Distance | quasar ~8 milliards d'al (z = 1,695) ; lentille ~400 millions d'al (z = 0,0394) |
| Taille apparente | croix de 1,6″ × 1,6″ ; galaxie 0,87′ × 0,34′ |
| Saison | automne (Pégase culmine de septembre à novembre) |
| Diamètre minimal | 460 mm (18″) et plus — et encore, pour la galaxie seule |
| Aucune ligne ne correspond au filtre. | |
Le mécanisme
Comment la gravité fabrique quatre reflets
Une masse déforme l'espace-temps autour d'elle, comme une boule posée sur une toile tendue. La lumière qui passe à proximité suit cette courbure au lieu d'aller tout droit : c'est la lentille gravitationnelle. Quand une galaxie massive se trouve pile devant une source lointaine, elle agit comme le pied d'un verre — un mauvais verre, qui ne concentre pas la lumière en un point mais la dédouble. Selon la géométrie de la masse, on obtient un arc, un anneau, ou, comme ici, quatre images. Q2237+030 est resté longtemps l'exemple d'école : quatre images bien séparées, un quasar franc au centre d'une galaxie proche et lumineuse, une géométrie presque symétrique. Un cas de manuel offert par le hasard des alignements.
La science derrière l'image
La microlentille, un microscope sur le disque du quasar
Des étoiles qui font clignoter le quasar
La galaxie de Huchra n'est pas une masse lisse : elle est faite d'étoiles individuelles. Quand l'une d'elles passe, au fil des années, pile devant l'un des quatre chemins de la lumière, elle ajoute sa propre petite lentille à la grande. C'est la microlentille : l'éclat d'une des quatre images monte ou descend toute seule, sans que les trois autres bougent. En 1989, Mike Irwin et ses collègues furent les premiers à surprendre l'une des images en train de changer de luminosité — la preuve que des astres invisibles de la galaxie-lentille jouaient avec le faisceau.
Sonder un disque grand comme le Système solaire
L'exploit scientifique est là. Le disque d'accrétion qui alimente le quasar est minuscule à cette distance — quelques jours-lumière, impossible à résoudre même pour Hubble. Mais quand une étoile de la galaxie-lentille balaie ce disque, elle en grossit une partie après l'autre, révélant sa taille et sa structure de température. En 2008, Eigenbrod et son équipe, au VLT, ont ainsi cartographié le profil d'énergie du disque de Q2237+030 ; en 2009, Mosquera y a détecté une microlentille « chromatique », le disque paraissant plus petit dans le bleu que dans le rouge — exactement ce qu'on attend d'un disque plus chaud vers son centre.
Une horloge et une balance cosmiques
Les décalages temporels entre les quatre images dépendent de la géométrie de l'Univers : bien mesurés, ils donnent une prise sur la constante de Hubble, le taux d'expansion cosmique. Et la façon dont la masse répartit les quatre images pèse la matière noire de la galaxie-lentille, invisible autrement. Un seul mirage, et trois instruments de mesure : microscope à quasar, horloge cosmologique, balance à matière noire.
Pourquoi on la surveille depuis si longtemps
Parce que la galaxie-lentille est proche (z = 0,0394) et le quasar franc, les effets de microlentille y sont plus rapides et plus nets qu'ailleurs. Des programmes de suivi photométrique l'ont scrutée nuit après nuit pendant des années pour attraper ces variations. La Croix d'Einstein n'est donc pas seulement belle : c'est l'un des laboratoires de lentille gravitationnelle les plus travaillés du ciel.
L'histoire
De la théorie d'Einstein à la galaxie de Huchra
- 1915
Einstein publie la relativité générale : la gravité n'est pas une force mais une courbure de l'espace-temps, et cette courbure dévie la lumière. La prédiction attend sa preuve.
- 1919
Lors d'une éclipse totale, Arthur Eddington mesure le déplacement apparent des étoiles au bord du Soleil — environ 1,75″. La lumière plie bel et bien. Einstein devient célèbre du jour au lendemain.
- 1985
John Huchra et ses collègues, en relevant les décalages vers le rouge de galaxies, tombent sur un objet aux raies incohérentes : une galaxie proche et, superposé, un quasar bien plus lointain. La galaxie-lentille portera son nom.
- 1990
Le télescope spatial Hubble résout enfin nettement les quatre images ponctuelles serrées dans 1,6″, autour du noyau galactique. La croix apparaît telle qu'on la connaît.
- 2008
Au Très Grand Télescope, l'équipe d'Eigenbrod exploite la microlentille pour cartographier le disque d'accrétion du quasar, invisible autrement — la relativité générale transformée en instrument de mesure.
En image
Deux regards sur la même croix
À gauche, la vue historique de Hubble en lumière bleue, qui a révélé les quatre images dès le début des années 1990. À droite, une vue couleur plus récente : les quatre taches orangées et le noyau diffus de la galaxie de Huchra au centre.
Où elle se cache
Dans Pégase, à titre indicatif
La Croix d'Einstein loge dans Pégase, le grand cheval de l'automne, à la position 22h 40m 30s / +03° 21′ 31″. C'est la saison de la Grande Casserole de Pégase — le vaste carré d'étoiles Markab, Scheat, Algénib et Sirrah — haute dans le ciel du sud de septembre à novembre. Mais ne prenez pas cette adresse pour une invitation : à magnitude 17 et 1,6″, ce n'est pas une cible de star-hopping. La donner sert à situer un point de l'histoire des sciences, pas à sortir la lunette. Si vous cherchez un quasar réellement observable, visez plutôt 3C 273 dans la Vierge : à magnitude 12,9, il est à portée de 150 mm.
| Avec quoi | Conditions | Ce que vous atteignez |
|---|---|---|
| À l'œil nu / jumelles | — | rien : le champ entier est bien en dessous du seuil de détection |
| Télescope 200–300 mm | ciel très noir | au mieux, un soupçon de la galaxie-lentille de magnitude 15 ; jamais les images |
| 460 mm (18″) et plus | seeing < 2″, site d'altitude | la tache de la galaxie ; la croix reste hors du visuel |
| Caméra CMOS + lucky imaging | grand tube, très bon seeing | quelques amateurs experts ont réussi à séparer les quatre images en photo |
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À explorer autour de la Croix d'Einstein
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