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Mouvement supraluminique

En astronomie et en astrophysique , le mouvement supraluminique est un mouvement qui dépasserait la vitesse de la lumière et qui est observé dans certaines radiogalaxies, dans l'objet BL Lacertae, dans les quasars et plus récemment dans des sources galactiques appelées microquasars. Toutes ces zones sont suspectées de contenir un trou noir responsable de l'éjection de matière à des vitesses aussi grandes que celle de la lumière.

Observé pour la première fois, dans les années 1970, le mouvement supraluminique était considéré comme la preuve que les quasars ne possédaient pas de distances cosmologiques. Aujourd'hui, même si certains astrophysiciens argumentent toujours en faveur de cette théorie, plusieurs croient que les vitesses dépassant celle de la lumière sont uniquement des illusions d'optique qui ne présentent aucunes théories physiques et qui vont à l'encontre de la relativité restreinte.

Histoire

Le mouvement supraluminique fut observé pour la première fois en 1902 par Jacobus Kapteyn grâce à l'éjecta de la nova GK Persei qui avait explosée en 1901. Sa découverte fut initialement publiée dans le journal allemand Astronomische Nachrichten et, plusieurs décennies plus tard, des astronomes anglais s'en intéressèrent.

En 1966, le professeur d'astronomie britannique Martin Rees proposa que : « un objet qui se déplace selon les lois de la relativité restreinte dans une direction appropriée, peut sembler à un observateur lointain, avoir une vitesse dépassant celle de la lumière ». En 1969 et en 1970, de tels objets furent identifiés et considérés comme des radiosources astronomiques lointaines comme des quasars et des radiogalaxies. Elles furent nommées sources supraluminiques. Cette découverte fut le résultat d'une nouvelle technique nommée interférométrie à très longue base. Cette technique leur a permis de poser des limites à la taille apparente et de déterminer la position avec une exactitude de plus d'une milliseconde d'arc.

En 1994, une donnée de vitesse galactique fut obtenue avec un mouvement supraluminique dans la Voie Lactée, notre galaxie (La source de rayons X cosmiques GRS 1915+105). Plusieurs globules séparées furent observées dans des endroits différents et ils sembleraient qu'elles augmenteraient de volume en groupe de deux en quelques semaines à 0,5 seconde d'arc. Avec l'analogie des quasars, la source GRS 1915+105 fut classée comme microquasar.

Explication du phénomène

Jet relativiste émis par M87

Le mouvement supraluminique est causé par le jet de matière projeté à des vitesses très proches de celle de la lumière avec un certain angle du point de vue de l'observateur. À chaque points de leur chemin les jets à grande vitesse émettent de la lumière et, cette lumière n'approche pas l'observateur plus rapidement que le jet lui-même. La lumière émise par le jet sur des centaines d'années n'est pas la même du début à la fin du trajet. En effet, la lumière émise au front (celle qui est la première à être émise) n'a pas des centaines d'années-lumière de distance avec celle qui émise à la fin du jet (celle qui a été la plus récemment émise). Le trajet de lumière complet arrive à l'observateur dans une période de temps beaucoup plus courte (approximativement entre 10 ou 20 ans) que des années-lumière et, qui donne l'impression qu'elle voyage plus rapidement que la vitesse de la lumière.

Le mouvement supraluminique est souvent vu comme deux jets se déplaçant en sens contraire : un s'approchant de la Terre et un autre se distançant de cette dernière. Même si l'effet Doppler est en vigueur dans les deux directions, la vitesse et la distance de la source peuvent être déterminées tout dépendent des autres observations.

Étude détaillée dans le cas des microquasars

Microquasar GRO J1655-40, deuxième microquasar découvert dans notre galaxie

Comme mentionnée précédemment, le mouvement supraluminique a été observé dans le microquasar GRS1915+15 et également dans la binaire X à faible masse GRO J1655-40. Comme évaluer la distance de ces microquasars est très difficile en terme de précision, les jets jumeaux émis par le disque d'accrétion du trou noir dans GRO J1655-40 sont évalués à une distance aussi imprécise oscillant entre 3-5 kpc. En réalité, avec les observations effectuées, il semblerait que GRO J1655-40 soit bien plus près de nous que nous le pensions (on estime qu'elle se trouve à environ 1kpc.). Si, effectivement, il se trouve à une distance aussi près de nous, les jets ne possèdent plus de vitesse supraluminiques. Pour les besoins de l'explication et de la démonstration, supposons que les jets sont tout de même supraluminiques malgré la distance. Pour expliquer quelle est l'origine des ces supervitesses dans les microquasars on doit connaître les deux phénomènes qui les enclenchent. Comme mentionné plus haut, GRO J1655-40 possède un trou noir dans ses limites territoriales. Selon les effets généraux de la relativité restreinte, un trou noir doit posséder une dernière orbite circulaire stable (ISCO) (la seule orbite la plus près du trou noir où la matière ne s’effondre pas dans ce dernier), doit respecter l'effet Lense-Thirring (un phénomène plus ou moins significatif qui a un effet sur les objets avec une rotation extrêmement rapide dans un champ gravitationnel également très fort) et une précession de Périhélion (phénomène du moins semblable à celui de la précession de Mercure où sa distance la plus près du Soleil se trouve à différentes position). Ces trois phénomènes réunis, permettent d'éjecter des jets de matière à de grandes vitesses. Sans eux, le mouvement supraluminique dans les microquasars comportant un trou n'aurait pu être observé.

Étude détaillée dans le cas des noyaux de galaxies actives (NGA)

Représentation imagée d'un objet BL Lacertae (avec disque d'accrétion du trou noir)

H 0323+022 (point central le plus lumineux) et les compagnons proches visibles

Les noyaux de galaxies actives comme dans l'objet BL Lacertae sont une autre source de mouvement supraluminique. Les mécanismes d'éjection de matière frôlant la vitesse de la lumière ressemblent à ceux que l'on retrouve dans les microquasars.

Critiques du phénomène

Aussitôt qu'en 1983, à l'observatoire de Jodrell Bank au Royaume-uni, publie des résultats de recherches à propos des sept seuls jets supralumineux connus à ce jour.

En d'autres mots, les jets ne sont pas du tout près dans notre ligne de mire (leur longueur nous apparaîtrait beaucoup plus courte si ils étaient dans notre ligne de mire).

En 1993, deux chercheurs, Thomson et al., ont suggérés que le jet extérieur du quasar 3C 273 est quasiment colinéaire (parallèle) à notre ligne de mire ce qui nous ferait croire que ces jets dépassent la vitesse de la lumière. Un tel jet fut observé dans la galaxie elliptique M87. En effet, le jet ne doit pas faire un angle de plus de 19° avec notre lige de mire sinon nos observations seraient biaisées. Les observations de Thomson et al. montrent qu'en fait, le jet fait un angle de 43° par rapport à notre vision.

Vitesse de signal

Le modèle fait une distinction entre l'information transmise par l'onde avec une vitesse de signal c et, l'information transmise par le taux de déplacement (position) du front d'ondes. Si on considère une impulsion lumineuse dans un «guide d'ondes» (un tube de verre, par exemple), qui se déplace dans champ de vision de l'observateur, l'impulsion peut seulement se déplacer à une une vitesse de signal c dans le tube de verre car il n'y a pas d'angle d'observation (l'impulsion étant parallèle à l'observateur). Si cette impulsion est aussi dirigée à côté de l'observateur, il va également recevoir cette information à une vitesse c. Si le «guide d'ondes» est déplacé dans la même direction que l'information qui voyage dans les ondes, c'est-à-dire, qu'il passe latéralement de chaque côtés, la position du signal se trouve donc changée. Il va donc voir ce signal se déplacer plus rapidement qu'il en a effectivement l'air et, qui est plus grande que c une fois calculé. Cette déformation de l'onde peut être vue comme une ombre à la surface d'une sphère. L'ombre se trouve arrondie alors qu'en réalité elle ne l'est pas. Ce signal donc et, contient différentes informations, de celui de l'impulsion lumineuse initiale et respecte toujours le second postulat de la relativité générale qui dit que la vitesse de la lumière dans le vide est la même pour tous référentiels galiléens.

Dérivation de la vitesse apparente

Un jet relativiste (jet puissant de plasma possédant une vitesse très près de celle de lumière et qui sont émis par le centre d'une trou noir de certaines galaxies) qui se dirige à l'extérieur d'un noyau d'une galaxie active selon l'axe AB avec une vitesse v. L'observateur se trouve au point O. Au temps $t_{1}$ un rayon lumineux quitte le jet du point A et un autre rayon quitte le jet à un temps $t_{2}$ du point B. L'observateur au point O perçoit les deux rayons à des temps respectifs $t_{1}^{\prime }$ et $t_{2}^{\prime }$. L'angle $\phi$ qui correspond au prolongement de la vision de l'observateur avec les points A et B. Les deux prolongements appelés $D_{L}$ peuvent être considérés comme égaux.

$AB=v\delta t$

$AC=v\delta t\cos \theta$

$BC=v\delta t\sin \theta$

$t_{2}-t_{1}=\delta t$

$t_{1}'=t_{1}+{\frac {D_{L}+v\delta t\cos \theta }{c}}$

$t_{2}'=t_{2}+{\frac {D_{L}}{c}}$

$\delta t'=t_{2}'-t_{1}'=t_{2}-t_{1}-{\frac {v\delta t\cos \theta }{c}}=\delta t-{\frac {v\delta t\cos \theta }{c}}=\delta t(1-\beta \cos \theta )$, où $\beta =v/c$

$\delta t={\frac {\delta t'}{1-\beta \cos \theta }}$

$BC=D_{L}\sin \phi \approx \phi D_{L}=v\delta t\sin \theta \Rightarrow \phi D_{L}=v\sin \theta {\frac {\delta t'}{1-\beta \cos \theta }}$

La vitesse transversale apparente sur $CB$, $v_{\text{T}}={\frac {\phi D_{L}}{\delta t'}}={\frac {v\sin \theta }{1-\beta \cos \theta }}$

$\beta _{\text{T}}={\frac {v_{\text{T}}}{c}}={\frac {\beta \sin \theta }{1-\beta \cos \theta }}.$

La vitesse transversale apparente est maximale pour des angles entre ($0<\beta <1$)

${\frac {\partial \beta _{\text{T}}}{\partial \theta }}={\frac {\partial }{\partial \theta }}\left[{\frac {\beta \sin \theta }{1-\beta \cos \theta }}\right]={\frac {\beta \cos \theta }{1-\beta \cos \theta }}-{\frac {(\beta \sin \theta )^{2}}{(1-\beta \cos \theta )^{2}}}=0$

$\Rightarrow \beta \cos \theta (1-\beta \cos \theta )^{2}=(1-\beta \cos \theta )(\beta \sin \theta )^{2}$

$\Rightarrow \beta \cos \theta (1-\beta \cos \theta )=(\beta \sin \theta )^{2}\Rightarrow \beta \cos \theta -\beta ^{2}\cos ^{2}\theta =\beta ^{2}\sin ^{2}\theta \Rightarrow \cos \theta _{\text{max}}=\beta$

$\Rightarrow \sin \theta _{\text{max}}={\sqrt {1-\cos ^{2}\theta _{\text{max}}}}={\sqrt {1-\beta ^{2}}}={\frac {1}{\gamma }}$, où $\gamma ={\frac {1}{\sqrt {1-\beta ^{2}}}}$

$\therefore \beta _{\text{T}}^{\text{max}}={\frac {\beta \sin \theta _{\text{max}}}{1-\beta \cos \theta _{\text{max}}}}={\frac {\beta /\gamma }{1-\beta ^{2}}}=\beta \gamma$

Si $\gamma \gg 1$ (par exemple, si la vitesse du jet approche celle de la lumière) alors $\beta _{\text{T}}^{\text{max}}>1$ malgré le fait que $\beta <1$. Évidemment, $\beta _{\text{T}}>1$ signifie que la vitesse transversale apparente le long de $CB$, la seule vitesse que l'on mesurée dans le ciel, est plus grande que la vitesse de la lumière dans le vide. De ce fait, le mouvement parait supraluminique.

Notes et références

(en) Cet article est partiellement ou en totalité issu de l’article de Wikipédia en anglais intitulé « Superluminal motion » (voir la liste des auteurs).

Bibliographie

 : document utilisé comme source pour la rédaction de cet article.

• (en) R.C. Vermeulen, « Superluminal sources », dans Quasars and Active Galactic Nuclei : High Resolution Radio Imaging, Owens Valley Radio Observatory, California, Proceedings of the National Academy of Sciences, 1995, pp.1-4. 
• (en) John Biretta, « Hubble Detects Faster-Than-Light motion in Galaxy M87 », dans Tiré du site d'un professeur universitaire, Space Telescope Science Institute, Baltimore, ND, 1999, pp.1. 
• (en) Florentin Smarandache, « There Is No Speed Barrier in the Universe and One Can Construct any Speed », dans Tiré du site d'un professeur universitaire, Université du Nouveau-Mexique, ND, 2011, pp.1. 

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