Gaia FPR : des quasars et des lentilles !

Dans l’espace, la lumière ne se déplace pas toujours en ligne droite : s’il y a un corps très massif sur son trajet, elle va suivre la courbure du champ gravitationnel en allant "au plus court", puis reprendre sa course en ligne droite. Cette déviation, minuscule !, des rayons lumineux avait été prédite par la théorie de la relativité générale d’Einstein et avait été confirmée en observant des étoiles très proches du Soleil lors de l’éclipse du 29 mai 1919. Le même effet conduit à voir des images doubles ou quadruples d’un même quasar, parfois triple, lorsqu’il se trouve un objet très massif tel qu’une grosse galaxie, entre le quasar et le point d’observation. Ceci est illustré par la figure 1 ci-dessous.

Figure 1 : A gauche, une galaxie très massive, située sur le trajet lumineux entre le quasar et Gaia, va agir comme une lentille, une loupe géante, qui peut amplifier la luminosité de la lumière et produire deux, trois ou quatre images du quasar lointain, alors que le quasar lui-même n’est pas observé à sa position réelle. Lorsque quatre images de ce type sont observées, on parle de Croix d’Einstein. Six tels systèmes sont montrés sur la droite : les observations de Gaia DR3 sont superposées à des images de télescopes au sol, le Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) et PanSTARRS. © ESA/Gaia/DPAC . Licence CC BY-SA 3.0 IGO. Basé sur l’article "Gaia Focused Product Release : A catalogue of sources around quasars to search for strongly lensed quasars", Gaia Collaboration, A. Krone-Martins et al. Remerciements : Juliana Calegari avec l’aide de Nicola Jenner, Nicole Shearer, Iris Nijman, Tineke Roegiers, Christine Ducourant, et Ludovic Delchambre.

Ces phénomènes sont très rares : jusqu’à présent, seulement 270 doublets ont été observés, ainsi qu’environ 80 Croix d’Einstein. Gaia allie trois caractéristiques essentielles qui vont permettre la découverte de nombreux autres : sa puissante résolution angulaire (environ 0,18") qui permet l’observation de plusieurs sources dans un petit champ du ciel (1 à 4"), son mode de balayage du ciel qui permet d’observer de façon répétitive l’ensemble du ciel et, bien sûr, l’extrême précision de ses observations astrométriques.

À partir d’une compilation de catalogues de quasars (incluant Gaia DR3), une liste de 3,8 millions de quasars a été établie et tous les transits observés à moins de 6" de ces quasars examinés par un algorithme adapté, conduisant à l’étude de 4.8 millions de sources, dont 100 000 sources non identifiées dans Gaia DR3. Lorsque les différentes composantes montrent des spectres BP/RP similaires, la probabilité est plus grande qu’elles soient les images d’une même source à lentille gravitationnelle.
Résultat : identification de près de 500 000 quasars avec une ou plusieurs sources dans leur voisinage, 355 candidates doubles (+130%) et 26 candidates lentilles quadruples (+32%), dont 5 très probables candidats.

Figure 2, rangée du haut : les positions Gaia DR3 de trois lentilles gravitationnelles (de gauche à droite : H1413+117, J2240+0321 et J1310-1714) sont superposées aux images PanSTARRS. La rangée du bas montre des images reconstruites à partir des données de Gaia FPR. Le flou des images obtenues depuis le sol est dû aux effets de l’atmosphère. La résolution exceptionnelle de Gaia permet une image bien définie de la lentille gravitationnelle. © "Gaia Focused Product Release : A catalogue of sources around quasars to search for strongly lensed quasars" par Gaia Collaboration, A. Krone-Martins , et al. 2023