Loi de déviation de la lumière. L'univers est flou

Fullerènes et nanotubes de carbone. Propriétés et applications

En 1985 Robert Curl, Harold Croteau Et Richard Smalley découvert de manière complètement inattendue un composé de carbone fondamentalement nouveau - fullerène , dont les propriétés uniques ont suscité de nombreuses recherches. En 1996, les découvreurs des fullerènes ont reçu le prix Nobel.

La base de la molécule de fullerène est carbone- celui-ci est unique élément chimique, caractérisé par la capacité de se combiner avec la plupart des éléments et de former des molécules du composition différente et des bâtiments. Grâce à votre cours de chimie à l'école, vous savez bien sûr que le carbone a deux principaux états allotropiques-graphite et diamant. Ainsi, avec la découverte du fullerène, on peut dire que le carbone a acquis un autre état allotropique.

Examinons d’abord les structures des molécules de graphite, de diamant et de fullerène.

Graphitea structure en couches (Fig.8) . Chaque couche est constituée d'atomes de carbone liés de manière covalente les uns aux autres dans des hexagones réguliers.

Riz. 8. Structure graphite

Les couches adjacentes sont maintenues ensemble par de faibles forces de Van der Waals. Ils glissent donc facilement les uns sur les autres. Un exemple de ceci serait un simple crayon : lorsque vous faites glisser une tige de graphite sur du papier, les couches se « décollent » progressivement les unes des autres, laissant une marque dessus.

diamanta trois dimensions structure tétraédrique (Fig. 9). Chaque atome de carbone est lié de manière covalente à quatre autres. Tous les atomes du réseau cristallin sont situés à la même distance (154 nm) les uns des autres. Chacun d'eux est relié aux autres par une liaison covalente directe et forme dans le cristal, quelle que soit sa taille, une macromolécule géante.

Riz. 9. Structure en diamant

Grâce à haute énergie des liaisons covalentes C-C, le diamant a la résistance la plus élevée et est utilisé non seulement comme pierre précieuse, mais également comme matière première pour la fabrication d'outils de coupe et de meulage des métaux (les lecteurs ont peut-être entendu parler du traitement du diamant de divers métaux)

Fullerènestire leur nom de l'architecte Buckminster Fuller, qui a inventé des structures similaires destinées à la construction architecturale (c'est pourquoi elles sont également appelées boules de Bucky). Le fullerène a une structure qui rappelle beaucoup celle d'un ballon de football, composée de « pièces » de formes à 5 et 6 gonaux. Si nous imaginons qu'il y a des atomes de carbone aux sommets de ce polyèdre, nous obtenons alors le fullerène C60 le plus stable. (Fig.10)

Riz. 10. Structure du fullerène C60

Dans la molécule C60, qui est la représentante la plus connue et aussi la plus symétrique de la famille des fullerènes, le nombre d'hexagones est de 20. De plus, chaque pentagone ne borde que des hexagones, et chaque hexagone comporte trois aspects communs avec des hexagones et trois avec des pentagones.

La structure de la molécule de fullerène est intéressante dans la mesure où à l'intérieur d'une telle « boule » de carbone se forme une cavité dans laquelle, grâce à propriétés capillaires des atomes et molécules d'autres substances peuvent être introduits, ce qui permet, par exemple, de les transporter en toute sécurité.

Au fur et à mesure que les fullerènes étaient étudiés, leurs molécules ont été synthétisées et étudiées, contenant différents nombres d'atomes de carbone - de 36 à 540. (Fig. 11)

un B C)

Riz. 11. Structure des fullerènes a) 36, b) 96, c) 540

Cependant, la diversité des structures de cadres en carbone ne s'arrête pas là. En 1991, un professeur japonais Sumio Iijima découvert de longs cylindres de carbone appelés nanotubes .

Nanotube est une molécule de plus d'un million d'atomes de carbone, qui est un tube d'un diamètre d'environ un nanomètre et d'une longueur de plusieurs dizaines de microns . Dans les parois du tube, les atomes de carbone sont situés aux sommets d'hexagones réguliers.

Riz. 13 Structure d'un nanotube de carbone.

a) vue générale du nanotube

b) nanotube déchiré à une extrémité

La structure des nanotubes peut être imaginée de cette façon : nous prenons un plan de graphite, en découpons une bande et la « collons » dans un cylindre (en réalité, bien sûr, les nanotubes se développent d'une manière complètement différente). Il semblerait que cela pourrait être plus simple : vous prenez un avion en graphite et vous le roulez en cylindre ! – mais jusqu'à découverte expérimentale Aucun des théoriciens n’a prédit les nanotubes. Les scientifiques ne pouvaient donc que les étudier et être surpris.

Et il y avait de quoi être surpris - après tout, ces étonnants nanotubes pèsent 100 000.

fois plus fin qu’un cheveu humain s’est avéré être un matériau extrêmement durable. Les nanotubes sont 50 à 100 fois plus résistants que l’acier et ont six fois moins de densité ! Module d'Young - Le niveau de résistance du matériau à la déformation est deux fois plus élevé pour les nanotubes que pour les fibres de carbone classiques. Autrement dit, les tubes sont non seulement solides, mais également flexibles, et leur comportement ne ressemble pas à des pailles cassantes, mais à des tubes en caoutchouc dur. Sous l'influence de contraintes mécaniques dépassant les limites critiques, les nanotubes se comportent de manière assez extravagante : ils ne se « déchirent », ne se « cassent » pas, mais se réorganisent simplement !

Actuellement, la longueur maximale des nanotubes est de plusieurs dizaines et centaines de microns, ce qui est bien sûr très grand à l'échelle atomique, mais trop petit pour utilisation quotidienne. Cependant, la longueur des nanotubes résultants augmente progressivement - les scientifiques se rapprochent désormais déjà de la barre des centimètres. Des nanotubes multiparois de 4 mm de long ont été obtenus.

Les nanotubes sont les plus présents formes différentes: monocouche et multicouche, droit et spiralé. De plus, ils démontrent toute une gamme de propriétés électriques, magnétiques et optiques les plus inattendues.

Par exemple, en fonction du motif de pliage spécifique du plan de graphite ( chiralité), les nanotubes peuvent être à la fois conducteurs et semi-conducteurs de l’électricité. Les propriétés électroniques des nanotubes peuvent être délibérément modifiées en introduisant des atomes d'autres substances à l'intérieur des tubes.

Les vides à l’intérieur des fullerènes et des nanotubes attirent depuis longtemps l’attention.

scientifiques. Des expériences ont montré que si un atome d'une substance est introduit à l'intérieur du fullerène (ce processus est appelé « intercalation », c'est-à-dire « incorporation »), cela peut le modifier. propriétés électriques et même transformer un isolant en supraconducteur !

Est-il possible de modifier les propriétés des nanotubes de la même manière ? Il s'avère que oui. Les scientifiques ont pu placer à l’intérieur d’un nanotube toute une chaîne de fullerènes contenant déjà des atomes de gadolinium. Les propriétés électriques d’une structure aussi inhabituelle étaient très différentes à la fois des propriétés d’un simple nanotube creux et de celles d’un nanotube contenant des fullerènes vides. Il est intéressant de noter que des symboles chimiques spéciaux ont été développés pour ces composés. La structure décrite ci-dessus s'écrit Gd@C60@SWNT, ce qui signifie « Gd à l'intérieur de C60 à l'intérieur d'un nanotube à paroi unique ».

Les fils pour macrodispositifs basés sur des nanotubes peuvent faire passer du courant sans pratiquement aucune génération de chaleur et le courant peut atteindre une valeur énorme - 10 7 A/cm2 . Un conducteur classique à de telles valeurs s'évaporerait instantanément.

Plusieurs applications des nanotubes dans l'industrie informatique ont également été développées. Déjà en 2006, apparaîtront des moniteurs d'émission à écrans plats fonctionnant sur une matrice de nanotubes. Sous l'influence d'une tension appliquée à une extrémité du nanotube, l'autre extrémité commence à émettre des électrons qui frappent l'écran phosphorescent et font briller le pixel. Le grain de l’image résultant sera incroyablement petit : de l’ordre du micron !(Ces moniteurs sont étudiés dans le cours Périphériques).

Un autre exemple est l’utilisation d’un nanotube comme pointe de microscope à balayage. Habituellement, un tel bord est une aiguille en tungstène affûtée, mais selon les normes atomiques, un tel affûtage est encore assez grossier. Un nanotube est une aiguille idéale d'un diamètre de l'ordre de plusieurs atomes. En appliquant une certaine tension, il est possible de capter des atomes et des molécules entières situées sur le substrat directement sous l'aiguille et de les transférer d'un endroit à l'autre.

Les propriétés électriques inhabituelles des nanotubes en feront l’un des principaux matériaux de la nanoélectronique. Sur cette base, des prototypes de nouveaux éléments pour ordinateurs ont été réalisés. Ces éléments rendent les appareils plus petits de plusieurs ordres de grandeur par rapport à ceux en silicium. La question de savoir dans quelle direction ira le développement de l'électronique une fois que les possibilités de miniaturisation ultérieure des circuits électroniques basés sur des semi-conducteurs traditionnels seront complètement épuisées est actuellement activement discutée (cela pourrait se produire dans les 5 à 6 prochaines années). Et les nanotubes occupent indéniablement une place de leader parmi les candidats prometteurs à la place du silicium.

Une autre application des nanotubes en nanoélectronique est la création d'hétérostructures semi-conductrices, c'est-à-dire des structures de type « métal/semiconducteur » ou la jonction de deux semiconducteurs différents (nanotransistors).

Désormais, pour réaliser une telle structure, il ne sera plus nécessaire de faire pousser deux matériaux séparément puis de les « souder » ensemble. Il suffit de créer un défaut structurel lors de la croissance du nanotube (à savoir remplacer l'un des hexagones de carbone par un pentagone) simplement en le cassant au milieu d'une manière particulière. Alors une partie du nanotube aura propriétés métalliques, et l'autre - les propriétés des semi-conducteurs !

Nanotubes à simple paroi

Structure Les nanotubes à simple paroi observés expérimentalement diffèrent à bien des égards de l'image idéalisée présentée ci-dessus. Tout d'abord, cela concerne les sommets du nanotube dont la forme, comme il ressort des observations, est loin d'être un hémisphère idéal.

Une place particulière parmi les nanotubes à paroi unique est occupée par les nanotubes dits de fauteuil ou nanotubes à chiralité (10, 10). Dans les nanotubes de ce type, deux des liaisons C-C incluses dans chaque anneau à six chaînons sont orientées parallèlement à l'axe longitudinal du tube. Les nanotubes ayant une structure similaire devraient avoir une structure purement métallique.

Nanotubes à parois multiples

Multi-parois Les nanotubes (à parois multiples) diffèrent des nanotubes à paroi unique par une bien plus grande variété de formes et de configurations. La variété des structures se manifeste à la fois dans le sens longitudinal et dans le sens transversal.

La structure de type « poupées russes » est un ensemble de tubes cylindriques emboîtés coaxialement les uns dans les autres. Une autre variante de cette structure est une collection de prismes coaxiaux imbriqués les uns dans les autres. Enfin, la dernière des structures ci-dessus ressemble à un parchemin. Toutes les structures sont caractérisées par une distance entre couches de graphite adjacentes proche de la valeur de 0,34 nm, inhérente à la distance entre plans adjacents de graphite cristallin.

La mise en œuvre d'une structure particulière de nanotubes multiparois dans une situation expérimentale spécifique dépend des conditions de synthèse. Une analyse des données expérimentales disponibles indique que la structure la plus typique des nanotubes à parois multiples est une structure avec des sections de type « poupée russe » et « papier mâché » situées alternativement sur la longueur. Dans ce cas, des « tubes » plus petits sont insérés séquentiellement dans des tubes plus grands.

Préparation de nanotubes de carbone

Développement Les méthodes de synthèse des nanotubes de carbone (CNT) ont suivi la voie de la réduction des températures de synthèse. Après la création de la technologie de production de fullerènes, il a été découvert que lors de l'évaporation par arc électrique des électrodes de graphite, parallèlement à la formation de fullerènes, des structures cylindriques étendues se forment. Le microscopiste Sumio Iijima utilise un matériau translucide microscope électronique(TEM) a été le premier à identifier ces structures comme étant des nanotubes. Les méthodes à haute température pour produire des NTC comprennent la méthode à l'arc électrique. Si vous évaporez une tige de graphite (anode) dans arc électrique, puis une accumulation de carbone dur (dépôt) se forme sur l'électrode opposée (cathode), dont le noyau mou contient des NTC à parois multiples d'un diamètre de 15 à 20 nm et d'une longueur supérieure à 1 μm. La formation de NTC à partir de suie de fullerène sous influence thermique à haute température sur la suie a été observée pour la première fois par un groupe d'Oxford et de Suisse. L'installation de synthèse par arc électrique est gourmande en métaux et en énergie, mais elle est universelle pour produire divers types de nanomatériaux de carbone. Dans ce cas, un problème important est le déséquilibre du processus lors de la combustion de l'arc. La méthode de l'arc électrique a autrefois remplacé la méthode d'évaporation laser (ablation) par un faisceau laser. L'installation d'ablation est un four classique à chauffage résistif, produisant une température de 1200C. Pour y obtenir des températures plus élevées, il suffit de placer une cible en carbone dans le four et de diriger dessus un faisceau laser, balayant alternativement toute la surface de la cible.

Que. Le groupe de Smalley, utilisant des installations coûteuses avec un laser à impulsion courte, a obtenu des nanotubes en 1995, « simplifiant considérablement » la technologie de leur synthèse. Cependant, le rendement des NTC est resté faible. L'introduction de petits ajouts de nickel et de cobalt dans le graphite a permis d'augmenter le rendement en NTC jusqu'à 70-90 %. A partir de ce moment, tout a commencé nouvelle étape dans la compréhension du mécanisme de formation des nanotubes. Il est devenu évident que le métal était un catalyseur de croissance. C'est ainsi qu'apparaissent les premiers travaux sur la production de nanotubes par une méthode à basse température - la méthode de pyrolyse catalytique des hydrocarbures (CVD), où des particules métalliques du groupe du fer étaient utilisées comme catalyseur. L'une des options d'installation pour produire des nanotubes et des nanofibres à l'aide de la méthode CVD est un réacteur dans lequel un gaz porteur inerte est introduit, transportant le catalyseur et l'hydrocarbure dans la zone. hautes températures. De manière simplifiée, le mécanisme de croissance des CNT est le suivant. Carbone produit par décomposition thermique hydrocarbure, se dissout dans une nanoparticule métallique.

Lorsqu'une concentration élevée de carbone dans une particule est atteinte, une « libération » énergétiquement favorable de l'excès de carbone se produit sur l'une des faces de la particule de catalyseur sous la forme d'une calotte de semifulérène déformée. C'est ainsi que naît un nanotube. Le carbone décomposé continue de pénétrer dans la particule de catalyseur et, afin d'évacuer son excès de concentration dans la masse fondue, il est nécessaire de s'en débarrasser constamment. L'hémisphère ascendant (semifullerène) à partir de la surface de la fonte entraîne avec lui un excès de carbone dissous, dont les atomes se forment à l'extérieur de la fonte. Connexion SS qui est un cadre cylindrique de nanotubes. La température de fusion d’une particule à l’état nanométrique dépend de son rayon. Plus le rayon est petit, plus la température de fusion est basse. Par conséquent, les nanoparticules de fer d’une taille d’environ 10 nm sont à l’état fondu en dessous de 60°C. À l'heure actuelle, la synthèse à basse température des NTC a été réalisée par pyrolyse catalytique de l'acétylène en présence de particules de Fe à 55°C. La réduction de la température de synthèse a également des conséquences négatives. À des températures plus basses, on obtient des NTC de grand diamètre (environ 100 nm) et de structure très défectueuse comme le « bambou » ou les nanocônes emboîtés. Les matériaux obtenus sont uniquement composés de carbone, mais ils sont même loin des caractéristiques extraordinaires (par exemple, module d'Young) observées dans les nanotubes de carbone monoparois obtenus par ablation laser ou synthèse par arc électrique.

– VI –

Einstein apprit l’issue favorable du GTR début septembre 1919. Après la publication dans le London Times d'un article de vulgarisation scientifique sur la courbure d'un rayon de lumière dans le champ gravitationnel du Soleil, le nom d'Einstein est devenu connu du grand public. À la fin du mois, il envoya une carte postale en Suisse dans laquelle il écrivit : « Chère maman ! Aujourd'hui, j'ai reçu une bonne nouvelle. HA. Lorenz m'a télégraphié que des expéditions anglaises avaient effectivement prouvé la déviation de la lumière près du Soleil... »

Ce qui se passait dans le monde scientifique de Grande-Bretagne en novembre 1919 peut être mieux exprimé dans les mots d'Abraham Pais :

« Après 1905, après avoir accompli deux miracles de premier ordre, Einstein devint « bienheureux ». La réunion conjointe de la Royal Society et de la Royal Astronomical Society, tenue le 6 novembre 1919, ressemblait à une cérémonie congrégationaliste. Dyson a agi en tant que postulateur, assisté des avocats-procureurs Crommelia et Eddingtoy. Dyson, qui a pris la parole le premier, a conclu : « Après un examen attentif des plaques photographiques, je suis prêt à déclarer que les calculs d’Einstein sont confirmés. Un résultat tout à fait précis a été obtenu, selon lequel la lumière est déviée selon la loi de la gravité d’Einstein. »

Crommelin a apporté d'autres précisions, après quoi Eddington a pris la parole, déclarant que les résultats obtenus à Príncipe confirmaient les données de l'expédition à Sobral, et a énuméré deux miracles sans aucun doute établis créés par Einstein déjà au rang de « bienheureux » : une explication de la déplacement du périhélie de Mercure et courbure des rayons lumineux selon un angle de (1,98 ± 0,30)" et (1,61 ± 0,30)" ; Ces résultats ont été obtenus respectivement à Sobral et Principe.

"L'avocat du diable" Ludwik Zilberstein a formulé des remarques critiques : "Il n'existe pas encore de raisons suffisantes pour affirmer que la déviation des rayons lumineux, dont j'admets la présence, est provoquée par la gravité." Il a également exigé la confirmation de la présence d’un redshift : « Si le redshift ne peut pas être détecté (comme cela a été le cas jusqu’à présent), toute la théorie s’effondrera ». Montrant un portrait de Newton accroché dans la salle, Silberstein a lancé un appel à la congrégation : « Le souvenir de ce grand homme nous rend très méfiants à l’égard des tentatives visant à modifier ou à réviser complètement sa loi de la gravité. »

Le président de la Royal Society, Commandeur de l'Ordre du Mérite, Joseph John Thomson, qui présidait l'assemblée, après avoir entendu la pétition « instanter, instantius, instantissime », proclama la bulle de canonisation : « C'est la plus résultat important, obtenu dans la théorie de la gravitation depuis l'époque de Newton, et il est très symbolique qu'il ait été annoncé lors d'une réunion de la société si étroitement associée au nom du grand scientifique... Ce résultat est l'une des plus hautes réalisations esprit humain".

Cependant, le même J. J. Thomson écrivait : « Je dois avouer que personne n’a encore réussi à exprimer en langage clair, Quoi est en fait la théorie de la relativité d'Einstein. Cette révélation du physicien le plus éminent de Grande-Bretagne a été mise en lumière par B.G. Kuznetsov, qui l'a à son tour tiré de la biographie d'Einstein écrite par F. Frank. Hélas, l’histoire officielle de la physique est encore écrite par des relativistes, et nous ne connaissons pas la véritable irritation de J. J. Thomson face à la théorie de la relativité. On sait seulement qu'il n'a accepté ni SRT ni GTR, puisque toute sa vie il avait développé constructif la théorie d'un électron en mouvement, basée sur un modèle mécanique, par opposition à formaliste théories d'Einstein, Lorentz et Poincaré, basées sur la spéculation spatio-temporelle.

Les citoyens dans les rues de New York saluent joyeusement Einstein. Le but principal de son voyage aux États-Unis (avec H. Weissman) était de collecter des fonds pour la construction de l'Université de Jérusalem. Il séjourne en Amérique du 2 avril au 30 mai 1921. Pendant ce temps, il a lu plusieurs conférences populaires sur la théorie de la relativité à Chicago, Boston et Princeton, à Washington, il a eu l'honneur de rencontrer le président Harding du pays. De retour d'Amérique, il s'arrête en Angleterre et visite la tombe de Newton.

En général, la doctrine relativiste n'était pas très populaire parmi les Britanniques, car dans leur pays elle était trop forte école classique, établi par Faraday et Maxwell. Mais après la popularisation de la relativité générale par les astronomes anglais - Dyson, Crommelin et surtout Eddington - la situation a considérablement changé, mais pas en termes théoriques. On raconte que l'un des interlocuteurs d'Eddington prétendait être l'un des trois scientifiques qui comprenaient vraiment la théorie de la relativité d'Einstein. Eddington est devenu pensif, et lorsque son interlocuteur lui a demandé à quoi il pensait, Eddington a répondu : « Je me demande à qui vous pensiez en troisième. »

Einstein et Elsa au Japon. Le 8 octobre 1922, lui et son épouse quittent Marseille pour l'Extrême-Orient. Au cours de ce voyage, il visite Colombo, Singapour, Hong Kong et Shanghai. Il était au Japon du 17 novembre au 29 décembre. Le 9 novembre, il reçoit le prix Nobel. Le 10 décembre à Stockholm, l'ambassadeur allemand Rudolf Nadolny a représenté le prix Einstein lors de la cérémonie. De retour du Japon, Einstein effectua un voyage de 12 jours en Palestine, où il arriva le 2 février 1923.

«Einstein doit sa soudaine renommée», écrivent les auteurs de «Private Life», aux auteurs des gros titres spectaculaires des journaux anglais et américains. « Révolution scientifique », « Nouvelle théorie de la structure de l'univers », « Renversement de la mécanique newtonienne » - les Tams de Londres s'étouffèrent le 7 novembre 1919. "Les rayons sont courbés, les physiciens sont confus. La théorie d'Einstein triomphe", annonçait le New York Times deux jours plus tard. En décembre 1919, Eddington écrivait à Einstein : "... Toute l'Angleterre en parle. a créé une sensation étonnante... Du point de vue des relations scientifiques entre l'Angleterre et l'Allemagne, on ne pouvait rien souhaiter de mieux.

Le 8 février 1923, Einstein devient le premier citoyen d'honneur de Tel-Aviv. Cet été, il a contribué à la création de la société des Amis de la Nouvelle Russie, qui a duré 10 ans. L'année suivante, il devient membre de la communauté juive de Berlin et paie régulièrement sa cotisation. L'« Institut Einstein » commence à fonctionner à Potsdam, situé dans la « Tour Einstein », dans laquelle est installé le « télescope Einstein ».

L'assistant d'Einstein, le mathématicien polonais Leopold Infeld, a justifié ainsi le succès retentissant de la théorie de la relativité auprès du public. Racontant la « grande vision » confirmée en mai 1919, il écrit :

« C’est ainsi qu’a commencé la grande renommée d’Einstein. Elle s'est poursuivie tout au long de sa vie et ne fera sans doute que s'accentuer après sa mort. Cependant, le fait que la théorie de la relativité ait prédit un phénomène si éloigné du nôtre Vie courante comme ces étoiles qu'elle l'avait prévu sur la base longue chaine arguments abstraits - tout cela ne peut peut-être pas servir de raison suffisante à l'enthousiasme des masses. Néanmoins, ce fut le cas. Et il me semble qu’il faut en chercher les raisons dans la psychologie d’après-guerre.

Cela s'est produit après la fin de la Première Guerre mondiale. Les gens en avaient assez de la haine, des meurtres et des intrigues internationales. Les tranchées, les bombes, les meurtres laissent un arrière-goût amer. Ils n’ont pas acheté ni lu de livres sur la guerre. Tout le monde attendait une ère de paix et voulait oublier la guerre. Et ce phénomène était capable de captiver l’imagination humaine. Depuis le sol couvert de tombes, les regards se tournaient vers le ciel parsemé d'étoiles. La pensée abstraite éloignait une personne des chagrins de la vie quotidienne. Le mystère de l'éclipse du Soleil et le pouvoir de l'esprit humain, le paysage romantique, quelques minutes d'obscurité, puis l'image des rayons courbés - tout était si différent de la réalité déprimante.

Il y avait une autre raison, apparemment la plus importante : le nouveau phénomène avait été prédit par un scientifique allemand et des scientifiques anglais l'avaient testé. Physiciens et astronomes, qui appartenaient récemment à deux camps hostiles, travaillent à nouveau ensemble. Peut-être est-ce le début d’une nouvelle ère, une ère de paix ? Il me semble que le désir de paix des gens était raison principale La renommée grandissante d'Einstein".

La même idée a été exprimée par les auteurs de « Private Life », ajoutant à ce qu'a dit Infeld un autre facteur important - le charme de la personnalité du père fondateur de la théorie magique :

« Les gens étaient fatigués de la guerre, ils voulaient se distraire et la théorie de la relativité est devenue le sujet numéro un, une sensation pour le grand public. Espace courbe et déviation des rayons lumineux étaient sur toutes les lèvres, ces mots, quoi qu'ils signifient, ont fasciné le public. Pour quiconque a déjà regardé le ciel nocturne, cela semblait magique et plein de secrets, et soudain ces secrets ont été révélés...

Bien sûr, les journalistes se sont précipités pour découvrir qui se cachait derrière cette nouvelle sensation. Et ils ont découvert qu’ils étaient extrêmement chanceux. Au lieu de l'académicien typique aux cheveux gris, ils ont vu un type excentrique avec des cheveux ébouriffés, un charme impudent et un sens de l'humour qui se transformait en sarcasme. Einstein s'est avéré être un personnage spectaculaire et coloré, il était photogénique et bientôt les représentants de la presse ont commencé à le bombarder de questions sur les sujets les plus inattendus à chaque occasion opportune ou inopportune. «Ils veulent de moi des articles, des déclarations, des photographies, etc.», écrivait-il à Noël 1919. «Tout cela rappelle le conte de fées sur la nouvelle robe du roi et sent la folie, mais inoffensif.» Il se sentit bientôt comme Midas, mais tout ce qu'il touchait ne se transformait pas en or, mais en battage médiatique.

Installations médias de masse a créé l'image d'Einstein en tant que sage et oracle, et maintenant le monde entier recherchait son attention. Au cours des dix années suivantes, il voyage en Scandinavie, aux États-Unis d'Amérique, au Japon, dans les pays proches, moyens et Extrême Orient, V Amérique du Sud et en Grande-Bretagne, où le célèbre théâtre de variétés londonien Palladium lui a offert la scène pour animer son propre programme pendant trois semaines, et la fille de Lord Haldane, sous le toit duquel Einstein devait vivre, s'est évanouie lorsqu'elle l'a rencontré.

Lors d'un voyage à Genève, il fut assiégé par une foule de jeunes filles, l'une d'elles tenta même de lui arracher une mèche de cheveux. Des cigares, des bébés, des télescopes et des tours furent nommés en son honneur, et les lettres coulaient en flot continu. Cela n’était jamais destiné à se terminer. Quiconque a écrit à Einstein : sympathisants, psychopathes religieux, charlatans demandant de l'argent, organismes publics et les mouvements qui cherchaient son soutien, les écoliers et, enfin, une petite fille qui posait la question : « Êtes-vous vraiment là ?

L’humanité déteste ceux qui dénoncent les cultes religieux ; elle maudit les scientifiques qui entreprennent de prouver l’origine non divine de Jésus-Christ. Mais toi et moi, cher lecteur, ne sommes pas personnes croyantes et doit comprendre d'où vient la « Vérité » des enseignements de « Saint-Albert ». Qu’Israël continue de célébrer la « Journée de la science » le jour de l’anniversaire d’Einstein, le 14 mars. Mais pour nous, Russes, chercheurs monde physique, cela ne sert à rien de rester éternellement devant l’autel d’une église relativiste. Il est temps d’éteindre enfin les bougies allumées à l’époque de l’apparition du Messie aux peuples. Laissez les gens ordinaires languir en prévision de la seconde venue, les ministres de la science doivent réfléchir à d'autres explications, non religieuses, de la courbure des rayons.

Les critiques des résultats d'observation soulignent qu'Eddington était trop intéressé par le succès de la théorie de la relativité et n'était donc pas objectif dans l'évaluation de l'expédition. Dans son rapport, disent-ils, il a ignoré les étoiles dont les déviations ne rentraient pas dans le cadre dont il avait besoin. Sur Internet, vous pouvez trouver, par exemple, les mots suivants : « Eddington s'est limité à une déclaration orale sur la fidélité de la relativité générale, mais n'a pas publié d'analyse des erreurs, ni les photographies qu'il a reçues, ni une méthode de rejet. ceux d’entre eux qui étaient considérés comme « mauvais ». Il ressort du rapport que nous venons de citer que ceci, et c'est un euphémisme, n'est pas entièrement vrai.

Certaines indications du rapport (paragraphe 39) indiquent que

« Dans l'analyse finale de tous les résultats des deux expéditions, les plus significatifs doivent être considérés comme ceux obtenus à l'aide d'une lentille de quatre pouces à Sobral. ... Les plaques photographiques résultantes donnent, sur la base des déclinaisons, 1,94 et sur la base des ascensions droites, 2,06. Et plus loin : « Les observations sur Príncipe ont été grandement gênées par la nébulosité. Certes, les circonstances défavorables ont été partiellement compensées par l'avantage d'une situation extrêmement Température constante sur cette île. L’écart obtenu est de 1,61. L’erreur probable est d’environ ±0,30, le poids de ce résultat est donc nettement inférieur au précédent.

Cependant, sur Internet nombre infini Les entrées du journal d'Eddington, qui se trouvait à Principe au moment de l'éclipse, sont citées une fois, à savoir le passage suivant :

« …La pluie s'est arrêtée vers midi et vers 1h30 nous avons vu le soleil. Nous avons préparé nos caméras, espérant une opportunité. Je n'ai pas vu l'éclipse elle-même, étant très occupé à changer de plaques photographiques, sauf un coup d'œil pour m'assurer qu'elle avait commencé, et un demi-coup d'œil pour estimer la quantité de nuages. Nous avons reçu 16 images dans lesquelles le Soleil apparaît avec tous les détails, mais les nuages ​​recouvrent les étoiles. Les dernières photos contenaient des images d'étoiles qui nous donnaient ce dont nous avions besoin..." [tiré de Wikipédia, Eddington].

Ainsi, le lecteur de ces lignes a la fausse impression qu’en raison de la nébulosité, le contrôle GTR a complètement échoué. Ceci n'est bien sûr pas vrai. Il existe un télégramme bien connu du chef de l'expédition à Sobral, que les critiques ne citent jamais : « L'éclipse est excellente. Crommelin". Donc, si Eddington n’avait pas du tout observé l’éclipse de Principe, il aurait quand même eu les résultats.

Cependant, les conclusions fondées sur les résultats des observations de 1919 peuvent-elles être considérées comme absolument irréprochables du point de vue science expérimentale 2009 ? Pas question, répond Gennady Ivchenkov. Il affirme qu'il y a 90 ans, Eddington et ses camarades se sont dépêchés de évaluation positive, confirmant la relativité générale.

Il est convaincu qu'une précision de mesure de l'ordre de 0,1" ÷ 0,2" est difficile à atteindre même au début du 21e siècle, et il n'est pas nécessaire de parler du début du 20e.

« Lorsqu'on effectue des mesures avec une telle précision, écrit Ivchenkov, cela « flotte » inévitablement. grand nombre sources d'erreurs, systématiques et aléatoires, qui auparavant, lors de mesures avec des précisions de l'ordre de 1", pouvaient être négligées. Il convient de noter que les instruments astrométriques modernes, avec une précision de l'ordre de la seconde, sont toujours calibrés avec précision avec une caméra thermiquement stabilisée."

Ensuite, pour une raison quelconque, il estime le diamètre de la lentille à la légère :

« L'expédition était en voyage, ils ne pouvaient donc pas prendre un télescope dont le diamètre de lentille dépassait, par exemple, 500 mm... Apparemment, le diamètre du miroir du télescope ne dépassait pas 200 ÷ 300 mm. La valeur théorique du cercle de dispersion pour un télescope de 300 mm est de 0,8", et la résolution (théorique, selon Rayleigh) est de 0,4".

Cependant, on sait de manière fiable que l’essentiel des données a été obtenu à l’aide de quatre pouces télescope (soit un peu plus de 100 mm) installé à Sobral. Par conséquent, selon les calculs d’Ivchenkov, la précision des lectures devrait être bien pire. une seconde d'arc.

Ivchenkov appelle le prochain obstacle désagréable lors de l'observation des étoiles lors d'une éclipse Distorsion, expliquant son action dans les mots de notre autorité nationale :

"La distorsion ne nuit généralement pas à l'observateur, mais elle devient très dangereuse si, à l'aide d'un système optique, des relevés destinés à des mesures sont effectués (par exemple en géodésie ou, surtout, en photogrammétrie aérienne)" (G. S. Landsberg " Optique” p. 309) "

Le critique poursuit :

« Une distorsion non compensée entraîne une distorsion en coussinet, créant l’apparence d’un champ de vision convexe ou concave. Ainsi, dans le premier cas, les étoiles semblent s'éloigner du centre, et dans le second, elles se rapprochent. Jusqu'à présent, personne n'a été en mesure de compenser, en particulier, les distorsions jusqu'à des valeurs inférieures à la seconde, même pour de petits angles de vision. Ainsi, si vous utilisez un système optique avec une distorsion non compensée, vous pouvez voir (et même mesurer avec succès) toute la courbure de la métrique espace-temps. »

Derrière la distorsion, Ivchinkov a pointé du doigt le phénomène guidage:

« Si pendant l'exposition, aucun mécanisme de guidage n'a été utilisé pour compenser les mouvements quotidiens, alors en 10 à 20 secondes. Les expositions du cercle de diffusion se sont transformées en une ellipse, allongée de 2,5 à 5" le long de l'écliptique. Si ce mécanisme était utilisé, il est très douteux qu'il ait une précision inférieure à la seconde."

Ivchinkov estime que l'erreur provoquée par le guidage sera d'environ 0,3".

Le quatrième point est la réfraction dans l’atmosphère terrestre :

« La plaque photographique de référence a été prise en janvier en Angleterre (l'angle de l'écliptique au-dessus de l'horizon est de 20 degrés), et l'éclipse a été filmée à l'équateur à 13h30, soit Le soleil était au zénith. Réfraction atmosphériqueà un angle de 10 degrés. au-dessus de l'horizon se trouve 5" 30", à un angle de 20 degrés. - 2"40", et au zénith il est proche de zéro (voir tableaux de l'Observatoire Pulkovo). Par conséquent, dans un champ de vision de 4 degrés (entre 20 et 10 degrés d'azimut), il y avait une non-linéarité de l'ordre de 80 ÷ 100", déformant (étirant) l'échelle verticale."

Ci-dessous, l'auteur de l'article « La confirmation la plus importante de la relativité générale ou ce que Lord Eddington a mesuré en 1919 » a analysé :

5. Aberration stellaire.
6. Mouvement correct des étoiles.
7. Précision fournie par le matériel photographique dans des conditions données.
8. Précision de l'alignement des plaques.
9. Précision des résultats de lecture.
10. Commentaires généraux concernant l'utilisation de matériel photographique pour l'analyse d'images.

Après cela, Ivchinkov a énuméré les principales erreurs méthodologiques de l'expérience :

• manque de calibrage du télescope et de la caméra,
• tirer la plaque de base à un endroit différent,
• à l'aide d'un télescope grand angle,
• utilisation de matériel photographique non densitométrique de mauvaise qualité,
• traitement d’image manuel (« à l’œil »).

Les plus grossiers et fondamentaux d’entre eux sont les trois derniers. L'utilisation d'un télescope grand angle a conduit à la nécessité de mesurer des objets extrêmement petits. quantités linéaires, et ces mesures elles-mêmes ont été effectuées selon une méthode barbare.

Les affirmations avancées ici doivent bien entendu être prises en compte : ces facteurs pourraient sans aucun doute influencer les conclusions finales du rapport présenté. Ivchinkov a peut-être négligé certains détails, mais il garde raison sur l’essentiel : optique les phénomènes qui se produisent près du Soleil sont si complexes qu'il est purement gravitationnel les explications des déviations microscopiques des rayons des étoiles semblent tout simplement ridicules.

Demandez-vous : pourquoi discutons-nous encore des résultats il y a près d’un siècle ? Où se trouvent les données sur les éclipses solaires les plus récentes ? S'ils ne sont pas dans les ouvrages de référence astronomie d'observation, dans lequel des affinements sont apportés d'année en année sur certains paramètres, cela signifie que les déviations des rayons à proximité des corps massifs n'intéressent absolument pas les astronomes en exercice, et on devine pourquoi.

1. Einstein A. Réunion travaux scientifiques en 4 tomes. / Éd. C'EST À DIRE. Tamma, Ya.A. Smorodinsky et B.G. Kouznetsova. - M. : Nauka, 1965.
2. Livre R.F. À propos du poids des photons. / Numéro UFN LXXII. 4 (1960).
3. Okun L.B., Selivanov K.G., Telegdi V. Gravité, photons, horloges. /UFN 169 (1999).
4. Soldner, J.G. c."Ueber die Ablenkung eines Lichtstrahls von seiner geradlinigen Bewegung, durch die Attraktion eines Weltkörpers, an welchem ​​​​er nahe vorbei geht." Berliner Astronomisches Jahrbuch (1804) s. 161-172.
5. Soldner, J.G. c."Ueber die Ablenkung..." ; (Lénard, P.) (1921). Annalen der Physik 65 : 593 – 604.
6. Jaki, S.L.(1978). "Johann Georg von Soldner et le Courbure gravitationnelle de la lumière, avec une traduction anglaise de son essai publié en 1801 ". Foundations of Physics 8 : 927-950. est ce que je : 10.1007/BF00715064.
7. Commerçant, HJ ; Jackisch, G.(1981). "Sur la valeur des soldats de la déviation newtonienne de la lumière". Astronomische Nachrichten 302 : 275-277. est ce que je:10.1002/asna.2103020603.
8. Will, C.M.(1988). "Henry Cavendish, Johann von Soldner et la déviation de la lumière." Suis. J. Phys. 56 : 413-415. est ce que je:10.1119/1.15622.
9. Zakharov A.F. Lentilles gravitationnelles / Journal pédagogique Sorovsky, volume 7, n° 8, 2001 ; son livre "Lentilles gravitationnelles et microlentilles" M. : Janus, 1997.
10. País A. Subtil est le Seigneur... La science et la vie d'Albert Einstein (Oxford : Oxford Univ. Press, 1982). [Russe] traduction: País A. Activité scientifique et la vie d'Albert Einstein. - M., 1989].
11. Timiryazev A.K. La théorie de la relativité d'Einstein et le matérialisme dialectique/ « Sous la bannière du marxisme » 1924, n° 8-9, p. 142 à 157 ; N° 10-11, p. 93 à 114 ; son La théorie de la relativité d'Einstein et le machisme/ Transcription du rapport de la réunion de Comm. Académicien - 7/II 1924 // Publié dans le recueil d'articles « Sciences naturelles et matérialisme dialectique ». - M. : Matérialiste, 1925, p. 228-258 ; son livre "Introduction à la physique théorique". - M.-L. : GTTI, 1933.
12. Ivchenkov, Gennady. La confirmation la plus importante de la relativité générale, ou ce que Lord Eddington a mesuré ( http://bourabai.kz/articles/ivchenkov.htm).
13. Albert Einstein et théorie de la gravité / Recueil d'articles. - M. : Mir, 1979.
14. Hofman B., Dukas E. Albert Einstein. Créateur et rebelle. - M. : Progress, 1983. (Banesh Hoffmann/Helen Dukas : Einstein. Schopfer und Rebell. Die Biographie, Francfort/M. 1978, amerikanisches Original New York, Viking Press, 1972).
15. Carter P., Highfield R. Einstein. Vie privée. - M. : « Zakharov », 1998 (Paul Carter et Roger Highfield « Les Vies privées d'Albert Einstein », 1993).
16. Kouznetsov B.G. Einstein. Vie. La mort. Immortalité. Cinquième édition, revue et augmentée. / Edité par M.G. Idlisa. - M. : Nauka, 1980.
17. Infeld, Léopold. Mes souvenirs d'Einstein / UFN, T. LIX, no. 1, 1956 ; "Tworczosc", vol. 9, 1955 ; traduction du polonais I.E. Dudovskaya et G.I. Zalutsky.
18. Petrov A.M. Antieinstein, - M. : Société Satellite, 2008.
19. Struve O., Linds B., Pillans E.. Astronomie élémentaire. - M. : "Sciences", 1967.
20. Talyzine, Igor. Déplacement des étoiles lors de l'éclipse de 1922 ( http://lesage.narod.ru/Sun1922_2007.htm).
21. Adam M.G.. Tests expérimentaux de la théorie de la gravité. - dans le livre Collection Einstein, 1969-1970. M. : Nauka, 1970, p. ( http://www.lesage.narod.ru/Mikhailov/Sun.htm).

Notre précédent article sur la cosmologie dans le cinquième numéro du magazine de cette année s'est terminé par le fait que récemment, le titre de l'objet le plus éloigné de l'Univers a de nouveau changé de propriétaire. À l'aide du télescope de dix mètres nommé d'après W. Keck (Hawaï), une galaxie a été découverte dont le décalage vers le rouge des raies du spectre est z = 4,921. Cela signifie que sa distance à nous est d'environ dix milliards d'années-lumière et que nous la voyons telle qu'elle était il y a dix milliards d'années, c'est-à-dire très peu de temps après le début de l'expansion de l'Univers.

Une découverte très impressionnante. Ses auteurs, M. Franks de l'Université de Groningen (Pays-Bas) et G. Illingworth de l'Université de Californie à Santa Cruz (USA), se rendant compte qu'ils avaient entre les mains un objet unique, ont poursuivi leurs recherches en utilisant les outils astronomiques les plus puissants. technologie. Lorsque la galaxie championne a été photographiée par le télescope spatial Hubble, il s'est avéré que ce système stellaire avait une forme inhabituelle en forme d'arc. Les astronomes savent que de telles galaxies n’existent pas ! Par conséquent, les auteurs de la découverte ont déclaré que la forme réelle de la galaxie est déformée par l'effet de « lentille gravitationnelle ». Quelle est cette « lentille » à travers laquelle nous pouvons observer les galaxies ?

"Bien entendu, on ne peut espérer observer directement ce phénomène."
A. Einstein, d'après l'article « Action semblable à une lentille d'une étoile lorsque la lumière est déviée dans un champ gravitationnel », 1936

Effet Einstein

Déviation d'un rayon lumineux lorsqu'il passe à proximité corps massif le phénomène est assez évident si l'on considère la lumière comme un flux de corpuscules, comme le faisaient de nombreux physiciens du XVIIIe siècle. Dans ce cas, les lois de la loi newtonienne sont valables pour les particules de lumière. mécanique céleste. Grâce à eux, le scientifique allemand Soldner a calculé en 1801 qu'un rayon lumineux provenant d'une étoile lointaine passant près de la surface du Soleil devrait être dévié de 0,87 seconde d'arc. Mais bientôt, grâce aux expériences de Fresnel, la théorie ondulatoire de la lumière fut établie en physique, et les travaux de Soldner furent longtemps oubliés. Ce n'est qu'en 1915, créant théorie générale relativité, Albert Einstein a encore calculé la déviation de la lumière dans le champ du Soleil (mais dans le cadre nouvelle physique) et j'ai obtenu le double angle plus grand: 1,75 secondes d'arc. Cette différence est devenue l’un des tests de la nouvelle théorie de la gravité.

L'effet attendu par Einstein a été confirmé expérimentalement dès 1919 : puis, lors d'une éclipse totale de Soleil, une expédition d'astronomes dirigée par Arthur Eddington a déterminé que les images des étoiles visibles près du bord du disque solaire sont légèrement décalées par rapport à leurs places habituelles. dans le ciel. En courbant les rayons des étoiles, le Soleil fait reculer leurs images du centre de l’étoile exactement de la quantité insignifiante qu’Einstein avait prédit et que (heureusement pour lui) les astronomes, avec leur légendaire « précision astronomique », sont capables de mesurer. L’effet est à peine perceptible par les instruments les plus sensibles, et peu de gens auraient pu s’attendre à ce que ce phénomène subtil donne un jour naissance à une technique scientifique importante.

Lentille gravitationnelle

Mais les astronomes ont immédiatement attiré l'attention sur l'effet Einstein : après tout, un corps massif dévie les rayons lumineux de la même manière qu'une lentille de télescope, c'est-à-dire vers l'axe optique. Par conséquent, quelque part au loin, les rayons doivent converger vers un point focal. Ces distances sont vraiment grandes : le point de son foyer le plus proche du Soleil est situé 550 fois plus loin que la Terre. Cependant, longues distances n'effrayez pas les astronomes, dont la « table de laboratoire » est tout le vaste espace. Par conséquent, les Anglais O. Lodge et A. Eddington considéraient déjà en 1919 1920 les propriétés de « lentilles gravitationnelles», mais aucune conclusion optimiste n’a encore été tirée.

Il est difficile d'imaginer que dans la Russie de ces années-là, quiconque puisse être enthousiasmé par cet exotisme, cependant, en 1924, les lentilles gravitationnelles ont été discutées par le célèbre professeur de physique de Saint-Pétersbourg, Orest Daniilovich Khvolson. En 1935, l'astronome de Leningrad Gavriil Adrianovich Tikhov s'y est intéressé, qui a donné des conférences à leur sujet à Leningrad et Pulkovo en janvier de l'année suivante et a publié en 1938 un article à ce sujet dans la revue Nature.

Cependant, au cours de ces années-là, l’intérêt pour les lentilles gravitationnelles était déjà perceptible. Einstein lui-même publie un message dans la revue Science, soulignant, comme le montre l'épigraphe de notre article, des perspectives très pessimistes quant à l'utilisation pratique de telles « lentilles ». Des travaux ultérieurs ont montré que la situation de l'étoile lentille était encore pire que ce qu'Einstein pensait : toute déviation de la forme de l'étoile par rapport à une sphère parfaite, causée par exemple par sa rotation, ne ferait que rendre l'effet plus difficile à détecter.

D'une manière générale, on peut remarquer l'effet d'une lentille gravitationnelle par l'image caractéristique d'une source lointaine située derrière elle. Si l'observateur se trouve exactement sur l'axe optique d'un objectif idéal, alors cette image apparaît comme un anneau brillant (maintenant connu sous le nom d'« anneau d'Einstein »), et lorsque l'observateur s'éloigne de l'axe, l'anneau s'assombrit et se divise en deux arcs qui se contractent en points. De plus, l'un d'eux s'approche du centre de l'objectif, s'estompe et disparaît complètement, et le second s'éloigne de l'objectif et devient une image non déformée de la source. Si le champ gravitationnel de la lentille n'est pas parfaitement sphérique, alors l'image devient beaucoup plus compliquée et « s'effondre » en plusieurs parties ; il devient assez difficile d'y reconnaître l'effet indiqué.

Il est tout aussi important que l’étoile lentille elle-même soit une puissante source de lumière, située beaucoup plus près de l’observateur que l’objet qu’elle représente. L'effet d'éblouissement d'un tel objectif ne peut être surmonté que s'il améliore considérablement la luminosité de l'image source. Ceci est, en principe, possible, mais seulement à ce court instant où l'observateur se trouve exactement sur l'axe optique de la lentille, les chances de monter dessus par hasard, et même de s'asseoir sur la Terre en se précipitant dans l'espace, sont faibles.

Mais où sont ceux objets réels, qui peut jouer le rôle de telles lentilles ? Notre Soleil est situé trop près de nous ; les rayons qu'il dirige vers la Terre ne sont pas encore focalisés. Et les étoiles les plus proches sont si éloignées que les dimensions des anneaux d’Einstein qui les entourent devraient être de quelques centièmes de seconde d’arc. Et encore seulement si nous avions de la chance et qu'une source lumineuse était cachée derrière l'un d'eux. À l'époque d'Einstein, la plupart des astronomes considéraient l'idée de rechercher une telle sophistication théorique comme une perte de temps.

Mirages spatiaux

Mais il y avait encore un jeune scientifique qui prenait très au sérieux l'idée des lentilles gravitationnelles. Il s'agissait de l'astronome suisse Fritz Zwicky (1898 -1974), qui travailla la plupart vie aux États-Unis, au California Institute of Technology. En 1937, il exprima l’idée que non seulement une étoile, mais aussi un groupe d’étoiles pouvaient dévier les rayons lumineux. Disons, une galaxie entière ou même un amas géant de galaxies. C'est alors que Zwicky réfléchit à la manière de mesurer la masse d'un amas de galaxies et réalisa que la courbure de la lumière était un indicateur approprié pour cela.

En général, Fritz Zwicky était un scientifique étonnamment multiforme et prolifique : il a exprimé de nombreuses prédictions, dont certaines ont été confirmées de son vivant. Par exemple, il a prédit qu’une explosion de supernova produirait une étoile à neutrons et, à la fin des années 60, il a été témoin de la découverte d’étoiles à neutrons sur le site des explosions de supernova. Mais la déviation de la lumière par les galaxies qu'il avait prédite n'a été découverte pour la première fois qu'en 1979, lorsqu'un groupe d'astronomes d'Angleterre et des États-Unis a accidentellement découvert une double image d'un quasar, formé, en fin de compte, par une lentille gravitationnelle, qui était une galaxie elliptique.

Si au début de ce siècle la déviation de la lumière dans le champ gravitationnel pouvait à peine être remarquée, alors à la fin du siècle, cette effet subtil est devenu un outil puissant pour l’astronomie. Maintenant, avec son aide, ils tentent de résoudre le mystère de la matière noire qui entoure les galaxies et se manifeste comme un champ gravitationnel, mais n'émet apparemment pas d'ondes électromagnétiques.

Le rôle d'une source lointaine de rayonnement brillant à travers la lentille gravitationnelle est généralement joué par les quasars - des objets d'une puissance gigantesque, probablement les noyaux actifs de galaxies jeunes, et donc très lointaines. Dans ce cas, le rôle de lentille est joué par une galaxie massive plus proche de nous ou par tout un amas d'entre elles. En moins de deux décennies, les astronomes ont déjà découvert plus de vingt quasars à lentille gravitationnelle, dont les images sont fortement courbées, voire divisées, dans le champ d'un objet massif mais relativement sombre. Ce sont les images déformées qui permettent d'identifier les lentilles gravitationnelles, car leurs propriétés optiques sont très loin d'être parfaites : elles focalisent moins les rayons qu'elles modifient leur trajectoire.

Quasars dans le funhouse

Si une galaxie massive était parfaitement ronde et qu’un quasar se trouvait directement au-dessus d’elle, son image précise se transformerait en un « anneau d’Einstein ». Cependant, les galaxies ont forme complexe, et les quasars peuvent être localisés de n'importe quelle manière, de sorte que leurs images dans une lentille gravitationnelle représentent généralement un système de plusieurs, dans le cas le plus simple, deux points rapprochés. Ils permettent de distinguer deux images d'un quasar de deux quasars différents visibles à proximité. activité élevée et la variabilité de la luminosité : si deux images clignotent de manière synchrone, alors elles appartiennent au même quasar.

Certes, parfois une image répète les « clins d’œil » d’une autre avec un certain décalage. S'il y a plusieurs images, alors chacune d'elles a son propre délai, puisque la lumière de chaque image nous parvient à sa manière. En mesurant le délai entre les mêmes fluctuations de luminosité dans deux images de quasar, allant de plusieurs mois à plusieurs années, la différence de longueur de trajet peut être facilement calculée faisceau de lumière. Et si vous pouvez déterminer la forme de la galaxie, alors avec le temps, vous pourrez trouver sa vraie taille. En la comparant avec la taille angulaire observée de la galaxie, il est facile de connaître la distance qui la sépare, et par la position des raies dans son spectre, la vitesse à laquelle elle s'éloigne de nous. Enfin, en divisant cette vitesse par la distance, les astronomes déterminent la constante de Hubble, grandeur fondamentale qui décrit propriété la plus importante Univers.

Tout cela est facile en théorie, mais en pratique, un tel travail nécessite la plus grande compétence de la part des observateurs, non seulement dans l'utilisation d'un télescope, mais également dans l'utilisation de puissants méthodes mathématiques traitement d'image. Étudier une galaxie agissant comme une lentille gravitationnelle est bien plus difficile que détecter une image d’un quasar déformée par son influence. L'image faible de la galaxie est noyée dans la lumière vive du quasar (bien que selon les normes terrestres, ils sont tous deux extrêmement faibles : pas plus lumineux qu'une lampe de table allumée sur la Lune). Et pourtant, les astronomes se sont attelés à cette tâche.

Récemment, le groupe de Frédéric Kurbin (Institut d'Astrophysique de Liège, Belgique) a étudié le quasar HE 1104 -1805, soumis à une lentille gravitationnelle, à l'Observatoire européen austral (La Silla, Chili). La galaxie qui courbe la lumière a été découverte dans la gamme infrarouge du spectre, car c'est dans cette gamme que le maximum du spectre de rayonnement du système stellaire s'éloignant de nous a été décalé en raison de l'effet Doppler. Un quasar avec un redshift z = 2,3 et une image bifurquée par une lentille gravitationnelle a été découvert en 1993. Des observations dans le domaine optique ont permis en 1995 de remarquer un faible objet de nature inconnue entre les images du quasar. Et seulement en 1997, avec l'aide nouvelle technologie et les méthodes mathématiques de traitement d'image ont réussi à comprendre la nature de cet objet.

En prenant une série d'images dans l'infrarouge et en utilisant un nouvel algorithme pour améliorer la qualité des images, les astronomes ont atteint une résolution angulaire de 0,27 seconde d'arc, qui n'était auparavant disponible que télescope spatial. Certes, même dans le même temps, il n’est pas possible d’obtenir le spectre d’une galaxie faiblement prise en sandwich entre deux images lumineuses d’un quasar. Mais comme des raies d'absorption avec un redshift z = 1,66 sont visibles dans le spectre du quasar, il est bien évident qu'elles appartiennent à la galaxie située devant lui. Nous avons donc réussi à connaître son décalage vers le rouge, qui correspond à une vitesse d'éloignement de nous d'environ deux cent mille kilomètres par seconde et à une distance de six à neuf milliards d'années-lumière.

Si la galaxie lentille est effectivement située à cette distance, alors le délai entre les variations de luminosité des deux images du quasar devrait être de trois à quatre ans. En mesurant cette valeur, les astronomes espèrent affiner considérablement la constante de Hubble d’ici quelques années. Ainsi, pas à pas, nous nous rapprochons de la percée du mystère de l’Univers.

Le manque de faits est aussi un fait

La lentille gravitationnelle devient rapidement un outil de travail en astrophysique. On pourrait même dire qu'il s'agit d'un instrument de routine, puisque ce n'est pas seulement la détection de l'effet de lentille qui est considérée comme importante, mais aussi son absence dans certaines circonstances. Par exemple, récemment, après avoir analysé les données de l’observatoire de rayons gamma Compton en orbite, des scientifiques américains ont découvert un halo étendu de rayonnement dur entourant notre Galaxie. Plusieurs versions ont été proposées pour expliquer ce phénomène.

Premièrement, des rayons gamma peuvent être générés rayons cosmiques, dont les particules, lorsqu'elles entrent en collision avec des photons optiques ou infrarouges, leur transfèrent leur énergie et les transforment en quanta de rayonnement gamma dur (d'ailleurs, cet effet, comme le satellite d'observatoire, porte le nom de Compton). Un halo de tels quanta est observé autour de certaines galaxies. Mais dans notre Galaxie, on pense qu'il n'y a pas assez de rayons cosmiques pour cela.

La source des rayons gamma pourrait également être des étoiles à neutrons et des pulsars. Mais pour garantir l’intensité observée, il faut que leur nombre dans le halo galactique soit énorme. Et c’est là qu’intervient l’effet de lentille gravitationnelle : s’il y a autant de pulsars dans le halo galactique, alors pourquoi ne se manifestent-ils pas comme des microlentilles gravitationnelles ? C’est un argument sérieux contre cette idée.

Par conséquent, les scientifiques sont enclins à l’explication la plus exotique de la couronne gamma galactique : peut-être qu’un nuage de rayons gamma est une preuve indirecte de l’existence d’une « masse cachée » dans l’Univers sous la forme d’hypothétiques particules élémentaires supermassives. La présence d’une telle « masse cachée » est soupçonnée depuis longtemps dans le halo de notre Galaxie. Et des rayons gamma peuvent être produits lorsque ces particules inconnues entrent en collision.

Il semble que les astronomes aient déjà accepté l'idée que substance lumineuse L’Univers – toutes ses étoiles et nuages ​​de gaz interstellaire – n’est qu’une légère « mousse » à la surface d’un « café » noir et invisible de masse cachée. Ayant compris, ils commencèrent à chercher des moyens de détecter et d’étudier cette mystérieuse substance invisible. Pour l’instant, une chose est claire : la matière noire, de toute façon, est une source de gravité, c’est pour cette raison qu’il faut la rechercher ; Les lentilles gravitationnelles sont idéales à cet effet. Comme cela arrive souvent, les classiques ont commis une erreur en évaluant les perspectives de leurs découvertes ; les lentilles gravitationnelles ont un grand avenir.

Des galaxies invisibles ?

Fin 1997, l’utilisation de lentilles gravitationnelles pour rechercher de la matière cachée semble porter ses fruits. L'astronome M. Hawkins (Observatoire royal d'Édimbourg) a déclaré que l'une des composantes massives invisibles de l'Univers pourrait être constituée de galaxies dépourvues d'étoiles. Il fonde son affirmation sur l’étude d’images appariées de quasars à lentille gravitationnelle. Dans une étude portant sur huit de ces paires, Hawkins n'a pu détecter des paires qui courent la lumière que dans deux cas seulement. systèmes stellaires. Pour les six images divisées restantes de quasars, aucune trace optique de la galaxie-lentille gravitationnelle n'a été détectée. Et à en juger par la distorsion des images, ces objectifs ne sont pas inférieurs en masse à notre Galaxie.

Hawkins et ses collègues pensent avoir eu la chance de découvrir ainsi des « galaxies ratées », dépourvues de populations stellaires et constituées uniquement de gaz. Quelle raison a empêché ce gaz de subir un effondrement gravitationnel et de s’effondrer en étoiles ? Cela peut être dû à la rotation initiale rapide du nuage protogalactique : la force centrifuge a arrêté la contraction de la galaxie avant que la formation d'étoiles puisse commencer à partir du gaz. Si tel est effectivement le cas, alors les astronomes peuvent se réjouir : ils ont découvert une autre « bête invisible de l’Univers ». galaxies sombres. Si cette découverte (si elle a eu lieu) résoudra le mystère de la masse cachée, l’avenir nous le dira.

1 Pour mesurer la vitesse des objets distants, les astronomes utilisent le décalage vers le rouge des raies de leur spectre, c'est-à-dire le changement relatif de la longueur d'onde des raies dû à l'effet Doppler. Puisque tous les objets éloignés s’éloignent de nous, les raies se déplacent toujours vers la partie rouge du spectre. Prendre en compte effets relativistes redshift z = 1 correspond à une vitesse de 180 000 kilomètres par seconde ; à z = 2, la vitesse est de 214 300 kilomètres par seconde ; à z = 3, la vitesse est de 233 300 kilomètres par seconde et à z = 4, la vitesse est de 245 500 kilomètres par seconde. Lors de l’expansion de l’Univers par Hubble, plus un objet est éloigné, plus il s’éloigne rapidement de l’observateur ; par conséquent, le redshift sert également de mesure de la distance aux galaxies et quasars lointains. Cependant, il n’y a pas ici de lien simple, car cela dépend de l’histoire de l’expansion de l’Univers.

Aujourd’hui, nous allons vous parler des lentilles gravitationnelles faibles. La raison en était le professeur Matthias Bartelmann de l'université physique théorique Heidelberg, qu'il a écrit spécifiquement pour le projet éducatif Scholarpedia.

Tout d’abord, un peu d’histoire : l’idée selon laquelle des corps massifs peuvent plier la lumière remonte à Isaac Newton. En 1704, il écrivait dans son livre « Optique » : « …les corps n'influencent-ils pas la lumière à distance et, par cette influence, ne dévient-ils pas ses rayons ; et cette influence n’est-elle pas d’autant plus forte que la distance [entre le corps et le rayon de lumière] est petite ? Pendant longtemps, la formulation même d'une telle question a été controversée, car la physique newtonienne ne fonctionne qu'avec des corps ayant une masse, et les débats sur la nature de la lumière, ses propriétés et la présence de masse dans ses particules se sont poursuivis pendant deux bons siècles.

Cependant, en 1804, l'astronome allemand Johann von Soldner, après avoir supposé la présence d'une masse dans les photons qui n'avait pas encore été découverte à cette époque, fut capable de calculer l'angle selon lequel la lumière provenant d'une source lointaine s'écarterait si elle « frappait ». à travers la surface du Soleil et s'est envolé vers la Terre - le faisceau était censé dévier de 0,83 seconde d'arc (environ la taille d'un centime à une distance de 4 kilomètres).

La prochaine grande étape dans l'étude de l'interaction de la lumière et de la gravité a été franchie par Albert Einstein. Ses travaux sur la théorie de la relativité ont remplacé la théorie classique de la gravité de Newton, où les forces sont présentes, par une théorie géométrique. Dans ce cas, la masse des photons n'a plus d'importance : la lumière sera déviée simplement parce que l'espace lui-même à proximité d'un objet massif est courbé. N'ayant pas encore terminé ses travaux sur la relativité générale, Einstein calcula l'angle de déviation d'un rayon de lumière passant près du Soleil et obtint... exactement les mêmes 0,83 secondes d'arc que von Soldner avait calculé cent ans avant lui. Seulement cinq ans plus tard, après avoir achevé ses travaux sur la relativité générale, Einstein réalisa qu'il était nécessaire de prendre en compte non seulement la dimension spatiale, mais aussi la dimension temporelle. à y composante de la courbure de notre espace-temps à quatre dimensions. Cela a doublé l'angle de déviation calculé.

Essayons d'obtenir le même angle. En passant devant un corps massif, un rayon de lumière est dévié car il se déplace droit, mais dans un espace courbe. Du point de vue d’Einstein, l’espace et le temps sont égaux, ce qui signifie que le temps nécessaire à la lumière pour nous parvenir change également. Par conséquent, la vitesse de la lumière change.

La vitesse de la lumière traversant le champ gravitationnel de la lentille dépendra du potentiel gravitationnel de la lentille et sera inférieure à la vitesse de la lumière dans le vide.

Cela n'enfreint aucune loi : la vitesse de la lumière peut en effet changer si la lumière traverse une substance. Autrement dit, selon Einstein, la déviation de la lumière par un objet massif équivaut à son passage à travers un milieu transparent. Attendez, c'est similaire à l'indice de réfraction d'une lentille, que nous avons tous étudié à l'école !

Le rapport des deux vitesses de la lumière est l'indice de réfraction, familier à l'école.

Désormais, connaissant la vitesse de la lumière dans la lentille, vous pouvez obtenir quelque chose qui peut être mesuré dans la pratique, par exemple l'angle de déviation. Pour ce faire, vous devez appliquer l'un des postulats fondamentaux de la nature - le principe de Fermat, selon lequel un faisceau de lumière se déplace de manière à minimiser la longueur du trajet optique. En l'écrivant en langage mathématique, on obtient l'intégrale :

L'angle de déviation sera égal à l'intégrale du gradient de potentiel gravitationnel

Il n'est pas nécessaire de le résoudre (et c'est très difficile), l'essentiel ici est de voir les deux devant le signe intégral. Ce sont les deux mêmes qui sont apparus chez Einstein en prenant en compte l'espace et le temps. Ôème composante et qui double l’angle de déflexion.

Pour prendre l'intégrale, une approximation est utilisée (c'est-à-dire un calcul simplifié et approximatif). Pour ce cas particulier, il est plus pratique d'utiliser l'approximation de Born, issue de la mécanique quantique et bien connue d'Einstein :

La même approximation de Born pour un calcul simplifié de l'angle de déflexion

En remplaçant les valeurs connues pour le Soleil dans la formule ci-dessus et en convertissant les radians en secondes d'arc, nous obtenons la réponse souhaitée

La célèbre expédition dirigée par Eddington a observé l'éclipse solaire de 1919 en Afrique, et les étoiles proches du disque solaire pendant l'éclipse ont été déviées d'un angle de 0,9 à 1,8 seconde d'arc. Ce fut la première confirmation expérimentale de la théorie de la relativité générale.

Cependant, ni Einstein lui-même ni ses collègues n'ont pensé à l'utilisation pratique de ce fait. En effet, le Soleil est trop brillant, et les déviations ne sont perceptibles que dans les étoiles proches de son disque. Cela signifie que l’effet ne peut être observé que lors des éclipses, ce qui ne fournit aux astronomes aucune nouvelle donnée sur le Soleil ou d’autres étoiles. En 1936, l'ingénieur tchèque Rudi Mandl rendit visite à un scientifique à Princeton et lui demanda de calculer l'angle de déviation d'une étoile dont la lumière passerait à proximité d'une autre étoile (c'est-à-dire de n'importe quelle étoile autre que le Soleil). Einstein a fait les calculs nécessaires et a même publié un article, dans lequel il notait qu'il considérait ces effets comme négligeables et inobservables. Cependant, l'idée a été reprise par l'astronome Fritz Zwicky, qui à cette époque était étroitement impliqué dans l'étude des galaxies (le fait qu'il existe d'autres galaxies en plus de la Voie lactée était devenu connu huit ans plus tôt). Il fut le premier à comprendre que non seulement une étoile, mais aussi une galaxie entière et même un amas de celles-ci peuvent agir comme une lentille. Une masse aussi gigantesque (des milliards et des milliards de masses solaires) courbe suffisamment la lumière pour être détectée et, malheureusement, en 1979, cinq ans après la mort de Zwicky, la première lentille gravitationnelle a été découverte - une galaxie massive qui a dévié la lumière d'un quasar lointain. , en le traversant. Or, contrairement aux prédictions d’Einstein, les lentilles ne sont pas du tout utilisées pour tester la relativité générale, mais pour un grand nombre d’études sur les plus grands objets de l’Univers.

Il existe des lentilles fortes, faibles et microlentille. La différence entre eux réside dans l'emplacement de la source, de l'observateur et de la lentille, ainsi que dans la masse et la forme de la lentille.

Une forte lentille gravitationnelle est typique des systèmes où la source de lumière est proche d’une lentille massive et compacte. En conséquence, la lumière divergeant d'une source située sur différents côtés de la lentille se courbe autour d'elle, se courbe et nous parvient sous la forme de plusieurs images du même objet. Si la source, l’objectif et l’observateur (c’est-à-dire nous) sont sur le même axe optique, alors plusieurs images peuvent être vues simultanément. La croix d'Einstein est un exemple classique de forte lentille gravitationnelle. Plus généralement, une lentille déforme considérablement la forme d’un objet, le faisant ressembler à un arc.

Un exemple de forte lentille d'une galaxie lointaine (objet blanc) par une galaxie massive plus proche de nous (objet turquoise)

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La lentille gravitationnelle faible, qui sera principalement discutée dans notre document, n'est capable de former ni une image claire ni même un bel arc lumineux - la lentille est trop faible pour cela. Cependant, l'image reste déformée, ce qui donne aux scientifiques un outil très puissant : il existe peu d'exemples connus de lentilles fortes, mais de lentilles faibles, pour lesquelles il suffit que deux grandes galaxies ou deux amas soient à une distance angulaire d'environ une seconde d'arc est largement suffisante pour l'étude statistique des galaxies, des amas, de la matière noire, du fond diffus cosmologique et de toute l'histoire de l'Univers depuis le Big Bang.

Et enfin, la microlentille gravitationnelle est une augmentation temporaire de la luminosité d'une source par une lentille qui se trouve sur l'axe optique entre elle et nous. Généralement, cet objectif n'est pas assez massif pour former une image claire ou même un arc. Cependant, il concentre toujours une partie de la lumière qui autrement ne nous parviendrait pas, ce qui rend l'objet éloigné plus lumineux. Cette méthode est utilisée pour rechercher (ou plutôt découvrir au hasard) des exoplanètes.

Rappelons que dans cette revue, faisant suite à l'article du professeur Bartelmann, nous nous limiterons à une discussion sur les lentilles faibles nominales. Il est très important qu’une lentille faible, contrairement à une lentille forte, ne puisse créer ni des arcs ni plusieurs images de la même source. Je ne peux même pas augmenter la luminosité de manière significative. Tout ce qu’il peut faire, c’est modifier légèrement la forme d’une galaxie lointaine. À première vue, cela semble une bagatelle : y a-t-il beaucoup d'effets dans l'espace qui déforment les objets ? La poussière absorbe la lumière, l'expansion de l'Univers déplace toutes les longueurs d'onde, la lumière, atteignant la Terre, se disperse dans l'atmosphère, puis passe à travers l'optique imparfaite des télescopes - où peut-on même remarquer que la galaxie est devenue un peu plus allongée ( considérant qu'on ne savait même pas comment c'était à l'origine) ? Cependant, les statistiques viennent ici à la rescousse - si dans une petite zone du ciel les galaxies ont une direction d'allongement préférée, alors peut-être les voyons-nous à travers une lentille faible. Malgré le fait que les télescopes modernes peuvent voir environ 40 galaxies dans un carré de côté d'un arc minute (c'est la taille de l'ISS telle que nous la voyons depuis la Terre), la distorsion introduite par la lentille dans la forme de la galaxie est si insignifiante. (ne dépasse pas quelques pour cent) que nous avons besoin de télescopes très grands et très puissants. Comme par exemple les quatre télescopes de huit mètres du complexe VLT au Chili, ou le télescope CFHT de 3,6 mètres situé à Hawaï. Ce ne sont pas seulement de très grands télescopes : ils peuvent également imager une grande partie du ciel en une seule image, jusqu'à un degré carré (contrairement, par exemple, au très puissant télescope Hubble, dont un cadre couvre un carré avec un côté de seulement 2,5 minutes d'arc). À ce jour, plusieurs études portant sur un peu plus de 10 % du ciel ont été publiées, fournissant suffisamment de données pour rechercher des galaxies à faible lentille.

Carte de répartition de la matière reconstituée après calculs des effets de faible lentille gravitationnelle ; les points blancs indiquent des galaxies ou des amas de galaxies

Illustration des effets d’une faible lentille gravitationnelle. Les conséquences les plus visibles sont indiquées à gauche : l'apparition d'un allongement. Au centre et à droite - influence des paramètres du deuxième et troisième ordre - déplacement du centre source et déformation triangulaire

Matthias Bartelmann et coll. 2016

Les galaxies sont très belles, mais est-il possible de regarder encore plus loin grâce à la lentille gravitationnelle - dans le passé, lorsque les galaxies et les étoiles n'existaient pas encore ? Il s'avère que c'est possible. Le rayonnement CMB est un rayonnement électromagnétique apparu dans l’Univers seulement 400 000 ans après. Big Bang- est présente dans chaque centimètre cube de l'espace depuis 13,6 milliards d'années. Pendant tout ce temps, il se propage différents côtés et porte « l’empreinte » de l’Univers primitif. L'un des domaines clés de l'astrophysique dernières décenniesétait l'étude du rayonnement de fond cosmique micro-ondes afin d'y trouver des inhomogénéités qui pourraient expliquer comment une structure aussi inhomogène et désordonnée pourrait apparaître à partir d'un Univers primordial aussi symétrique et anisotrope (en théorie), où en un seul endroit se trouve un amas de milliers de galaxies, et dans une autre, il y a un vide de plusieurs mégaparsecs cubes.

Les satellites RELIKT-1, COBE, WMAP et Planck ont ​​mesuré l'homogénéité du rayonnement de fond cosmique micro-ondes avec une précision croissante. Maintenant, nous le voyons avec tant de détails qu'il devient important de le « nettoyer » de divers bruits introduits par des sources non liées à la distribution originale de la matière dans l'Univers - par exemple, en raison de l'effet Sunyaev-Zeldovich ou de cette très faible lentille gravitationnelle. . C’est le cas lorsqu’il est enregistré pour ensuite le supprimer le plus précisément possible des images du fond diffus cosmologique et continuer à examiner si sa répartition dans le ciel s’inscrit dans le modèle cosmologique standard. De plus, même les images les plus précises du CMB ne peuvent pas tout nous dire sur l'Univers - c'est comme un problème dans lequel nous n'avons qu'une seule équation, dans laquelle il y a plusieurs inconnues (par exemple, la densité de matière baryonique et la densité spectrale de matière noire). Faible lentille gravitationnelle, même si elle ne donne pas de résultats aussi précis actuellement (et parfois même ne concorde pas bien avec les données d'autres études - voir l'image ci-dessous), mais c'est la deuxième équation indépendante qui aidera à déterminer la contribution de chacun inconnu de formule générale Univers.

Indice de réfraction