Comment la théorie de la relativité générale d’Einstein pourrait aider à créer une image vivante des mondes extraterrestres


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  • Veille de Noël 1968 – L’astronaute d’Apollo 8, Bill Anders, a pris une photo qui allait bientôt recadrer la vision de l’humanité sur l’univers. C’était une image de la Terremais du point de vue de la lune.

    Lorsque vous regardez cette image, une planète nette vous regarde, lévitant juste au-dessus de l’horizon lunaire comme un lever de soleil turquoise. Et cette ressemblance même a valu à la photographie d’Anders le nom parfait : “Earthrise”.

    Earthrise, prise lors du premier voyage en équipage autour de la lune, Apollo 8.

    Bill Anders/NASA

    Depuis le temps Anders a tiré depuis un vaisseau spatial en orbite lunaire, les scientifiques ont obtenu des images absolument époustouflantes des anneaux rocheux de Saturne, Les teintes azur de Neptune et même Les rayures marbrées orange de Jupiter — mais ces photos effleurent à peine la surface de la société planétaire de notre univers.

    Il existe des milliers d’autres mondes extraterrestres flottant au-delà de notre système solaire, mais ils restent cachés à l’œil humain car ils sont à des années-lumière sur des années-lumière de nous. Nos télescopes sont trop loin pour capturer leur beauté. Ils n’apparaissent que comme points de lumière flous – s’ils apparaissent du tout.

    Bientôt, cependant, ces exoplanètes floues pourraient être mises au point. Mardi dans The Astrophysical Journalune équipe de chercheurs de Stanford a décrit un concept de télescope futuriste qui pourrait théoriquement prendre des photographies d’orbes étrangers avec suffisamment de clarté pour rivaliser avec l’iconique Earthrise d’Anders.

    C’est ce qu’on appelle le “télescope à gravité”.

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    Les planètes ne sont pas à l’échelle de cette image. Il montre les portraits 2021 de Hubble des planètes extérieures, avec Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune allant de gauche à droite.

    NASA, ESA, A. Simon (Goddard Space Flight Center), et MH Wong (Université de Californie, Berkeley) et l’équipe OPAL

    “Avec cette technologie, nous espérons prendre une photo d’une planète à 100 années-lumière qui a le même impact que l’image de la Terre d’Apollo 8”, a déclaré le co-auteur de l’étude Bruce Macintosh, dit dans un communiqué. Macintosh est professeur de physique à l’Université de Stanford et directeur adjoint du Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology.

    Selon les chercheurs, le télescope fonctionnerait en exploitant un phénomène hallucinant appelé lentille gravitationnelle.

    Lentille gravitationnelle ? Qu’est-ce que c’est?

    En un mot, la lentille gravitationnelle fait référence au fait que la lumière émanant des étoiles ou d’autres objets spatiaux sont déformés et déformés en passant par un corps cosmique supermassif et gravitationnellement dense.

    La raison pour laquelle cela se produit est à cause de la relativité générale, une théorie bien établie de la gravité proposée pour la première fois par Albert Einstein au début des années 1900. Nous n’approfondirons pas trop la relativité générale car, eh bien, cela nécessiterait pas mal de physique brûlante pour le cerveau, que je garderai pour une autre fois.

    Pour la lentille gravitationnelle, il vous suffit de savoir que la relativité générale suggère que l’espace et le temps sont interconnectés comme un morceau géant de tissu moulable. Ce tissu peut se plier et se tordre comme vos vêtements, et le fait essentiellement lorsqu’il contient un objet.

    Les amas de galaxies la déforment comme aucune autre, les trous noirs la déforment beaucoup, la Terre la déforme quelque peu, la lune la déforme un peu, et même vous la déformez un tout petit peu. Tout le déforme, mais plus l’objet est gros, plus vous obtenez de déformation.

    5927h-0

    Sur cette photo, la lentille gravitationnelle déforme la lumière provenant des galaxies. C’est pourquoi ils ressemblent à des taches ou à des traînées.

    NASA/ESA/K. Sharon/E. Ofek

    Et surtout pour la lentille gravitationnelle, lorsque la lumière traverse l’une de ces distorsions, une sorte d’effet de loupe est créé. Normalement, les astronomes utilisent cet effet autour des zones les plus déformées – généralement des amas de galaxies – pour en quelque sorte “agrandir” des objets éloignés. La lentille gravitationnelle leur donne une bien meilleure image de ce qu’ils regardent.

    Le concept de télescope à gravité fonctionne avec la même idée, mais avec quelques ajustements.

    Spécifications du télescope à gravité

    La première différence est que les chercheurs suggèrent d’utiliser notre propre soleil comme source de distorsion du télescope gravitationnel, au lieu de l’amas de galaxies habituel. Et deuxièmement, le télescope à gravité nécessite une étape supplémentaire qui ressemble un peu à la déduction à la Sherlock Holmes.

    Selon l’article, l’appareil capturerait d’abord la lumière de l’exoplanète déformée par le soleil (lentille gravitationnelle standard), mais ensuite, la soi-disant lentille gravitationnelle solaire du télescope utilisera ces données lumineuses pour travailler en arrière et reconstruire à quoi ressemblait réellement l’exoplanète dans la première place.

    Ta-da.

    Pour démontrer comment cela fonctionnerait, les chercheurs ont utilisé des images terrestres existantes prises par le satellite Dscovr. Ce vaisseau spatial se trouve entre notre planète et le soleil, il est donc assez parfait pour un test théorique de télescope à gravité.

    L’équipe a exécuté des images de notre planète à travers un modèle informatique pour voir à quoi ressemblerait la Terre à travers les effets de lentille gravitationnelle du soleil. Ensuite, ils ont développé et utilisé un algorithme pour “déplier” la lumière, ou déformer la lumière, et commencer le processus de reconstruction.

    Bref, ça a marché.

    Un exemple de reconstruction de la Terre, utilisant l’anneau de lumière autour du soleil, projeté par la lentille gravitationnelle solaire. L’algorithme qui permet cette reconstruction peut être appliqué aux exoplanètes pour une imagerie supérieure.

    Alexandre Madurowicz

    “En dépliant la lumière courbée par le soleil, une image peut être créée bien au-delà de celle d’un télescope ordinaire”, a déclaré Alexander Madurowicz, doctorant à l’Institut Kavli d’astrophysique des particules et de cosmologie et co-auteur de l’étude. déclaration. “Cela permettra d’étudier la dynamique détaillée des atmosphères de la planète, ainsi que la distribution des nuages ​​et des caractéristiques de surface, que nous n’avons aucun moyen d’étudier maintenant.”

    Il a ajouté que “le potentiel scientifique est un mystère inexploité car il ouvre cette nouvelle capacité d’observation qui n’existe pas encore”.

    Sans utiliser la lentille gravitationnelle de l’équipe, nous aurions besoin d’un télescope qui soit quelque chose comme 20 fois plus large que la Terre pour prendre une image super claire d’une exoplanète – mais avec la lentille gravitationnelle, dit l’équipe, un télescope de la taille de Hubble fera l’affaire.

    Il y a une énorme mise en garde

    Pour que tout cela fonctionne, le télescope à gravité doit être au moins 14 fois plus éloigné du soleil que Pluton. Ouais.

    Et cela, écrivent les auteurs de l’étude, “nécessiterait une patience extrême avec la technologie des fusées conventionnelles et existantes”, avec des temps de trajet d’environ 100 ans “ou des progrès dans la propulsion pour atteindre une plus grande vitesse de départ, comme une voile solaire”.

    En d’autres termes, il faudrait environ un siècle pour amener le télescope à gravité là où nous en aurions besoin. Voiles solaires, comme celui-cipourrait potentiellement réduire le temps de voyage à quelque chose comme 20 ou 40 ans, mais les voiles solaires sont assez loin d’être utilisées régulièrement.

    Néanmoins, les chercheurs disent qu’ils sont motivés par les conséquences plus importantes de prendre un jour des photos spectaculaires d’exoplanètes. Par exemple, cela pourrait grandement bénéficier à la recherche de preuves de vie extraterrestre.

    À quoi pourraient ressembler les exoplanètes brillamment colorées de l'équipe d'étude dans l'univers.

    Image conceptuelle de l’artiste de 25 exoplanètes cachées au-delà de notre système solaire. Avec le télescope à gravité, nous pourrons peut-être en prendre de vraies photos.

    ESA/Hubble, N. Bartmann

    “C’est l’une des dernières étapes pour découvrir s’il y a de la vie sur d’autres planètes”, a déclaré Macintosh. “En prenant une photo d’une autre planète, vous pourriez la regarder et peut-être voir des échantillons verts qui sont des forêts et des taches bleues qui sont des océans – avec cela, il serait difficile d’affirmer qu’elle n’a pas de vie.”

    Et, en ce qui concerne mes collègues admirateurs planétaires amateurs, je pense que regarder une photographie d’une exoplanète ajusterait notre perspective existentielle – comme Earthrise l’a fait pour l’humanité il était une fois.

    Même maintenant, regarder Earthrise suscite sans aucun doute en nous un sentiment étrange; un sentiment d’incrédulité que nous voyageons à travers le cosmos sur ce qui est fondamentalement un gigantesque vaisseau rond.

    Que ressentirons-nous lorsque nous apercevrons tous les autres gigantesques vaisseaux ronds de l’univers ?

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