Écho lumineux

Un écho lumineux est un phénomène physique provoqué par la lumière réfléchie par des surfaces éloignées de la source et arrivant à l'observateur avec un retard par rapport à cette distance. Le phénomène est analogue à un écho sonore , mais en raison de la vitesse beaucoup plus rapide de la lumière , il ne se manifeste généralement que sur des distances astronomiques.

Par exemple, un écho lumineux se produit lorsqu'un éclair soudain d'une nova se réfléchit sur un nuage de poussière cosmique et arrive sur l'observateur après une durée plus longue que celle qu'il aurait mis à suivre un trajet direct. En raison de leur géométrie , les échos lumineux peuvent produire l' illusion d' un mouvement supraluminique .

Les échos lumineux se produisent lorsque l'éclair initial d'un objet qui s'éclaire rapidement, comme une nova, se réfléchit sur la poussière interstellaire qui peut ou non se trouver à proximité immédiate de la source de lumière. La lumière de l'éclair initial arrive en premier sur l'observateur, tandis que la lumière réfléchie par la poussière ou d'autres objets entre la source et l'observateur commence à arriver peu de temps après. Comme cette lumière n'a voyagé que vers l'avant et loin de l'étoile, elle produit l'illusion d'un écho qui se propage plus vite que la vitesse de la lumière .

Dans la première illustration ci-dessus, la lumière qui suit le chemin A est émise par la source d'origine et arrive en premier à l'observateur. La lumière qui suit le chemin B est réfléchie par une partie du nuage de gaz à un point situé entre la source et l'observateur, et la lumière qui suit le chemin C est réfléchie par une partie du nuage de gaz perpendiculaire au chemin direct. Bien que la lumière qui suit les chemins B et C semble provenir du même point dans le ciel pour l'observateur, B est en fait beaucoup plus proche. En conséquence, l'écho de l'événement dans un nuage uniformément réparti (sphérique) par exemple semblera à l'observateur se développer à une vitesse proche ou plus rapide que la vitesse de la lumière, car l'observateur peut supposer que la lumière de B est en fait la lumière de C.

Tous les rayons lumineux réfléchis provenant de l'éclair et arrivant sur Terre ensemble auront parcouru la même distance. Lorsque les rayons lumineux sont réfléchis, les chemins possibles entre la source et la Terre qui arrivent au même moment correspondent à des réflexions sur un ellipsoïde , dont l'origine de l'éclair et la Terre sont les deux foyers (voir l'animation à droite). Cet ellipsoïde s'élargit naturellement au fil du temps.

L'étoile variable V838 Monocerotis a connu une explosion significative en 2002, comme l'a observé le télescope spatial Hubble . Cette explosion s'est révélée surprenante pour les observateurs, car l'objet a semblé se dilater à une vitesse dépassant de loin la vitesse de la lumière, passant d'une taille visuelle apparente de 4 à 7 années-lumière en quelques mois.

En utilisant les échos lumineux, il est parfois possible de voir les faibles reflets des supernovae historiques . Les astronomes calculent l' ellipsoïde dont les foyers sont la Terre et un reste de supernovae pour localiser les nuages ​​de poussière et de gaz à sa frontière. L'identification peut être effectuée en comparant laborieusement des photos prises à des mois ou des années d'intervalle, et en repérant les changements dans la lumière qui ondule à travers le milieu interstellaire. En analysant les spectres de lumière réfléchie, les astronomes peuvent discerner les signatures chimiques des supernovae dont la lumière a atteint la Terre bien avant l'invention du télescope et comparer l'explosion avec ses restes, qui peuvent être vieux de plusieurs siècles ou millénaires. Le premier cas enregistré d'un tel écho remonte à 1936, mais il n'a pas été étudié en détail.

La supernova SN 1987A , la supernova la plus proche de l'époque moderne, en est un exemple . Ses échos lumineux ont permis de cartographier la morphologie du voisinage immédiat ainsi que de caractériser les nuages ​​de poussière situés plus loin mais proches de la ligne de visée depuis la Terre

Un autre exemple est la supernova SN 1572 observée sur Terre en 1572, où en 2008, de faibles échos lumineux ont été observés sur la poussière dans la partie nord de la Voie Lactée .

Les échos lumineux ont également été utilisés pour étudier la supernova qui a produit le reste de supernova Cassiopée A. [ La ​​lumière de Cassiopée A aurait été visible sur Terre vers 1660, mais est passée inaperçue, probablement parce que la poussière obscurcissait la vue directe. Les réflexions provenant de différentes directions permettent aux astronomes de déterminer si une supernova était asymétrique et brillait plus fort dans certaines directions que dans d'autres. Le progéniteur de Cassiopée A a été suspecté d'être asymétrique, et l'observation des échos lumineux de Cassiopée A a permis la première détection d'une asymétrie de supernova en 2010.

D’autres exemples sont les supernovae SN 1993J et SN 2014J .

Les échos lumineux de la grande éruption d' Eta Carinae de 1838-1858 ont été utilisés pour étudier cette supernova imposteur . Une étude de 2012, qui a utilisé les spectres d'échos lumineux de la grande éruption, a révélé que l'éruption était plus froide que celle d'autres supernovas imposteurs.

Des échos lumineux ont été utilisés pour déterminer la distance à la céphéide variable RS Puppis avec une précision de 1 %. Pierre Kervella de l' Observatoire européen austral a décrit cette mesure comme étant jusqu'à présent « la distance la plus précise à une céphéide ».

En 1939, l'astronome français Paul Couderc publia une étude intitulée « Les Auréoles Lumineuses des Novae ». Dans cette étude, Couderc publia la dérivation des localisations d'échos et des délais dans l'approximation paraboloïde, plutôt qu'ellipsoïde, de la distance infinie. Cependant, dans son étude de 1961, YK Gulak mit en doute les théories de Couderc : « Il est démontré qu'il y a une erreur essentielle dans la preuve selon laquelle Couderc a supposé la possibilité d'une expansion de l'anneau brillant (nébuleuse) autour de Nova Persei 1901 avec une vitesse dépassant celle de la lumière. » Il continue : « La comparaison des formules obtenues par l'auteur, avec les conclusions et les formules de Couderc, montre que la coïncidence de la parallaxe calculée selon le schéma de Coudrec, avec des parallaxes dérivées par d'autres méthodes, pourrait avoir été accidentelle. »

Le système ShaSS 622-073 est composé de la plus grande galaxie ShaSS 073 (visible en jaune sur l'image de droite) et de la plus petite galaxie ShaSS 622 (visible en bleu) qui sont au tout début d'une fusion. Le noyau brillant de ShaSS 073 a excité avec son rayonnement une région de gaz à l'intérieur du disque de ShaSS 622 ; même si le noyau a pâli au cours des 30 000 dernières années, la région brille toujours intensément en réémettant de la lumière.

Depuis 2009, des objets connus sous le nom d'échos lumineux de quasar ou d'échos d'ionisation de quasar ont été étudiés. Un exemple bien étudié d'écho lumineux de quasar est l'objet connu sous le nom de Hanny's Voorwerp (HsV).

HsV est entièrement constitué de gaz si chaud – environ 10 000 degrés Celsius – que les astronomes ont estimé qu’il devait être éclairé par quelque chose de puissant. AGN précédemment actif qui s’est éteint. Kevin Schawinski , cofondateur du site Internet Galaxy Zoo , a déclaré : « Nous pensons que dans un passé récent, la galaxie IC 2497 a hébergé un quasar extrêmement brillant. En raison de la vaste échelle de la galaxie et du Voorwerp, la lumière de ce passé éclaire toujours le Voorwerp voisin même si le quasar s’est éteint au cours des 100 000 dernières années et que le trou noir de la galaxie lui-même est devenu silencieux. » Chris Lintott , également cofondateur de Galaxy Zoo, a déclaré : « Du point de vue du Voorwerp, la galaxie semble aussi brillante qu'elle l'aurait été avant que le trou noir ne s'éteigne – c'est cet écho lumineux qui a été figé dans le temps pour que nous puissions l'observer. » galaxies de Voorwerpjes et de Green Bean .

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  Écho lumineux à Eta Carinae
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  L'écho lumineux de Cassiopée (nord) est diffusé en va-et-vient
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  L'écho lumineux de Cassiopée (sud) est diffusé en va-et-vient
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  vue détaillée de l'écho lumineux de Cassiopée A avec JWST NIRCam
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  une autre vue détaillée de l'écho lumineux de Cassiopée A avec JWST NIRCam