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Les échos de lumière en astronomie

1) Principe physique et optique des échos de lumière

Si une source lumineuse, comme par exemple une étoile en fin de vie ou variable, un trou noir,... émet un "flash" lumineux ( si il se produit une supernova, variation de luminosité ou engloutissement de matière pour le trou noir par exemple ) et que cette source astronomique est entourée ou située proche d'un nuage de gaz et de poussières, il peut se produire ce que l'on appelle un écho de lumière.

Il peut se produire de deux manières distinctes mais néanmoins pas incompatibles l'une de l'autre ( les deux peuvent se produire en même temps ) :

- soit par réflexion de l'intense lumière sur les poussières ou le gaz.

- soit par excitation des gaz du nuage par la lumière très énergétiques émise par la source.

Dans le cas de la réflexion, la vision depuis la Terre dépend de l'angle entre la source et le nuage et il y a un angle sous lequel, en fonction de leurs positions respectives, on ne pourra voir d'échos.

Dans le second cas, plus la lumière du flash émit par la source est énergétique ( vers les courtes longueurs d'ondes ), plus le gaz et les poussières seront excitées et chauffées. Depuis la Terre, dans certain cas, on peut avoir l'impression, en observant le nuage, que le gaz excité se propage à la vitesse de la lumière ( c ~ 300000 km/s ) , mais en fait, par effet d'optique, c'est l'illumination progressive du nuage à mesure que le flash se propage à la vitesse de la lumière.

Un des points très important est le retard causé par la réflexion, plus ou moins grand en fonction de la distance du nuage par rapport à la source émettrice. En effet, la lumière émise depuis la source fait moins de distance pour arrivé jusqu'à la Terre que si elle se réfléchit d'abord sur un nuage pour ensuite arrivé sur nos observatoires. Sur le schéma ci-dessous, on voit bien que le « trajet » blanc est plus court à parcourir que le « trajet » bleu.

On observera donc l'écho bien après la flash lui-même (d'où son nom) : le temps de retard est égal au temps mit par la lumière pour parcourir la différence de distance entre le nuage et la source par exemple. Il faut en plus rajouter la paramètre du caractère fini de la vitesse de la lumière c qui implique que lorsque l'on observe un astre éloigné dans l'espace, on l'observe aussi plus éloigné dans le temps ( par exemple une étoile éloignée de 30000 années-lumière ( AL ) est observée telle qu'elle était il y a 30000 ans car la lumière doit mettre 30000 ans pour arrivée jusqu'à nous ).

Il y a donc quatre notions de temps, représentable sur une flèche du temps:

(1) le moment où le flash est émit par la source

(2) le moment où l'écho est produit

(3) le moment où le flash est observé sur Terre

(4) le moment où l'écho du flash est observé sur Terre.

La distance temporelle entre (1) et (2) est la même qu'entre (3) et (4), par elle peut-être très grande entre (1) et (3) ou (2) et (4) si la source ou le nuage sont très éloignées de nous.

Pour compliquer le tout, il arrive que le « flash » soit de longue durée ( ce n'est donc plus un flash ), l'écho l'est donc aussi. Il faut donc introduire deux autres notions de temps : le début et la fin de l'émission, de l'écho, de l'observation de l'émission sur Terre et enfin de l'observation de l'écho de l'émission sur Terre.

2) En quoi les échos lumineux sont-ils utiles en astronomie?

L'intérêt principal d'un écho de lumière est le retard observé du phénomène par la réflexion ou l'excitation de la nébuleuse entourant la source, retard qui peut-être utilisé de trois manières différentes:

(1) pour observer l'évènement en question, ( le flash, l'émission intense ) car les chercheurs l'ont "raté" ( il s'est produit il y a plusieurs siècles ou décennies au moment où les techniques astronomiques n'était pas assez efficaces pour l'observer ). En analysant avec précisions l'écho de lumière, on peut obtenir beaucoup d'informations sur le phénomène initial qui a causé cet écho.

Par exemple, récemment, une équipe d'astronomes a observé l'écho de lumière (notion de temps 4) d'une émission X ( une certaine longueur d'onde ) intense du trou noir massif SgrA au centre de notre galaxie sur le nuage SgrB2, émission qui aurait dû être observé il y a 300 ans (notion de temps 3) et qui c'est passé il y a 26300 ans ( notion de temps 1 ). L'écho a donc permis d'observé l'évènement car il avait été "raté" il y 300 ans ( aucun satellites obligent ) et d'en déterminer sa nature : un flot de matière provenant d'une étoile disloquée a été englouti par le monstrueux trou noir.

Ci-dessous, le trou noir SgrA est indiqué et les zones du nuage SrgB2 qui se sont mises à briller sont entourées ( image Chandra )

(2) pour analyser la source elle-même : les échos de lumière permettent, quand on connaît certaine données ( comme la distance du nuage réflecteur ) de mieux connaître la source. En faisant des mesures sur la lumière reçu de l'écho, on peut connaître la composition et la situation de la source au moment du "flash" ou de l'émission intense ; les astronomes peuvent même réussir à déterminer la distance de la source.

Ainsi, il y a peu de temps, des astronomes ont réussi à déterminer la distance très précise de la Céphéide RS Pup ( étoiles qui varient de luminosité, et cette variation permet de connaître leur luminosité absolue ) en observant l'écho de sa variation de luminosité sur la nébuleuse qui l'entoure. Ces observations sont très importantes car, en connaissant la distance d'une Céphéide, celle-ci peut servir d'étalon pour connaître la distance d'autres Céphéides, même dans d'autres galaxies.

Ci-dessous, le nuage entourant la Céphéide RS Pup (cachée par un masque ).

(3) pour analyser la nébuleuse : si la nébuleuse est excitée par l'émission de la source, on peut connaître sa composition chimique précise ainsi que d'autres paramètres importants.

On le voit donc, les échos de lumière sont indispensables dans de nombreux cas et permettent également de confirmer certaine théorie en observant dans le passé.

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