FR2795186A1 - Imageur gravitationnel - Google Patents

Abstract

Dispositif permettant l'observation de corps célestes avec une très bonne résolution d'image, une très bonne luminosité, et un très bon facteur de contraste.Ledit dispositif est constitué d'au moins quatre éléments qui sont : - un premier corps céleste (1) constituant un sujet à observer, - un deuxième corps céleste (3) constituant une lentille gravitationnelle, - un sélecteur (4) de rayons lumineux,- un capteur de lumière (5) recevant une image du sujet (1). Lesdits quatre éléments sont alignés dans l'ordre ci-dessus sur un même axe optique (6).Le dispositif est original en ce que le sélecteur (4) laisse passer vers le capteur (5) certains rayons de lumière en provenance du sujet, grâce à une fenêtre en forme de couronne (7) pratiquée dans ledit sélecteur (4). Le capteur (5), quant à lui, ne reçoit que les rayons de lumière qui ont traversé ladite fenêtre (7) et qui correspondent à un point focal unique. La distance entre la lentille gravitationnelle (3) et le capteur (5), ainsi que la distance entre le sélecteur (4) et le capteur (5), ainsi que le diamètre de la couronne (7), sont régis par des formules mathématiques spécialement élaborées à cet effet.L'invention concerne les sciences de l'astronomie.

Description

DESCRIPTIF. La présente invention a pour objet à titre de produit industriel nouveau, un imageur à déflecteur gravitationnel de lumière.

On connaît déjà des systèmes d'observation optique dont le fonctionnement est basé sur les lois de la physique suivante Dans une lentille classique, les rayons de lumière sont déviés de leur trajectoire initiale, du fait de la propagation de la lumière, d'un milieu â un autre.

Quand lesdits milieux sont délimités par des surfaces sensiblement planes ou courbes, l'étude de ladite trajectoire devient aisée.

. Ainsi; on peut observer deux types de déviations - les rayons réfléchis par ladite surface, - les rayons réfractés par ladite surface.

En donnant une forme géométrique adéquate à l'ensemble desdits milieux, on peut faire subir à la propagation des rayons de lumière toutes sortes de trajectoires.

De telles formes taillées dans une matière transparentes sont appelées lentilles.

Il en existe une grande variété dont des lentilles biconvexes, plan-convexes, ménisques convergents, ménisques divergents, biconcaves, plan-concaves.

Il est aussi possible de recouvrir de telles lentilles par une matière réfléchissante, afin d'obtenir un effet miroir et d'éviter ainsi aux dits rayons de lumière d'avoir à traverser l'épaisseur desdites lentilles.

De telles mises en oeuvre sont utilisées dans les télescopes.

Les télescopes sont, comme toute mise en oeuvre d'appareillage, soumis à des limites, dues aux technologies utilisées.

On connaît aussi l'effet de la gravitation universelle sur la propagation de la lumière.

Ce principe a été décrit dans la théorie de la relativité générale d'Albert Einstein et vérifié lors de l'éclipse du soleil du 29 mai<B>1919</B> par la Société astronomique royale de Londres.

D'après cette théorie, un rayon de lumière subit dans un champ de gravitation une courbure analogue à celle que subit la trajectoire d'un corps lancé à travers un champ de gravitation. Un rayon lumineux rasant un corps céleste est d'après cette théorie dévié vers ce dernier ; l'angle de déviation alpha pour un rayon lumineux qui passe à une distance du soleil égale à delta rayons de celui-ci est : alpha = 1,7 seconde d'arc / delta.

Cette déviation est due pour moitié au champ d'attraction newtonien du soleil et pour moitié, à la modification géométrique de l'espace, ( courbure ) produite par le soleil. La masse qui dévie les rayons lumineux est appelée lentille gravitationnelle.

On connaît une mise en oeuvre technique qui utilise l'effet de la déviation gravitationnelle des rayons de lumière.

Ainsi, ce phénomène est utilisé pour la détection indirecte d'une masse, dans l'univers.

Lorsqu'une masse passe devant une étoile, on observe une augmentation de la luminosité de cette dernière.

Autrement dit l'augmentation momentanée de la luminosité d'une étoile selon une courbe bien définie, traduit le passage d'une masse entre ladite étoile et un observateur.

De telles observations ont étés faites dans le projet MACHO (MAssive Compact Halo Objects) et ont permit entre autres la détection de 98-BLG- 35.

Le projet MACHO présente cependant l'inconvénient de ne pas pouvoir être utilisé pour obtenir une imagerie du sujet, mais uniquement sa détection.

Ce phénomène est aussi utilisé pour observer un sujet de manière directe à l'aide d'un télescope, et permet ainsi de voir une augmentation de la luminosité dudit sujet, et a ainsi permit entre autres la détection d'un quasar appelé la croix dEinstein situé derrière une galaxie qui sert de lentille gravitationnelle.

On pourrait utiliser le phénomène de lentille gravitationnel de manière directe en disposant un simple capteur sur l'axe optique formé par la lentille gravitationnelle et le sujet.

Le système d'observation optique basé sur ce principe présente au moins deux inconvénients - de capter de la lumière en provenance de points de focalisations multiples, ce qui ne permet pas de produire une image d'une bonne résolution.

- De laisser passer la lumière de la lentille gravitationnelle, ce qui provoque un voile.

La présente invention vise à remédier à ces inconvénients et se rapporte à un système muni d'un sélecteur spécial qui ne laisse passer vers un capteur que les rayons de lumière en provenance d'un endroit donné d'un sujet, et permet ainsi de réaliser un point image.

L'invention sera bien comprise en se référant à la description ci-dessous ainsi qu'aux dessins annexés dont La fig. 1) est une coupe d'une région de l'univers comportant deux corps célestes avec les trajectoires des rayons de lumière.

La fig. 2) est la vue de la même région de l'univers dans laquelle a été placé un imageur à lentille gravitationnelle.

La fig. 3) est la vue de face d'un sélecteur de lumière.

La fig. 4) est la vue de face d'un sélecteur de lumière additionnel. La fig. 5) est la vue de face d'un capteur de lumière.

La fig. 6) est une variante de la fig. 2) dans laquelle a été introduit un sélecteur additionnel. La fig. 7) est la vue de profil d'un sélecteur de forme parabolique. Ainsi en (1) est représenté un sujet qui émet ou réfléchit des rayons de lumière (2), lesquels passent à proximité d'un corps (3).

A une certaine distance dudit corps est placé un sélecteur de rayons de lumière (4) et à une autre certaine distance dudit sélecteur est placé un capteur de rayons de lumière (5).

Le sujet (1), le corps (3), le sélecteur (4) et le capteur (5) sont situés sur un axe optique commun (6).

Le sujet (1) est une planète et le corps (3) une étoile.

Le sélecteur de lumière (4) est une feuille rigide et opaque comportant une fenêtre ayant sensiblement la géométrie d'une couronne (7).

Une bonne mise en oeuvre de la présente invention fait appel à une couronne de cent mètres de diamètre avec une ouverture de fenêtre (7) d'un centimètre, mais ces dimensions ne sont pas limitatives.

Le capteur de lumière (5) est placé dans le fond d'un tube (8) dont la surface intérieure est noir.

Le capteur (5) est constitué de plusieurs cellules sur lesquelles arrivent la lumière (9) en provenance du sujet (I).

Le diamètre de ces cellules est préférentiellement inférieur à la largeur de la couronne (7), et le diamètre du capteur (5) est sensiblement inférieur au diamètre de la couronne (7).

Lesdites cellules sont préférentiellement des capteurs à effet Compton. En (2) sont représentés les rayons de lumière émis par le sujet (1).

Le présent imageur à lentille gravitationnelle opère de manière suivante Les rayons de lumière (2) qui sont émis ou réfléchis par le sujet se propagent dans l'univers selon des trajectoires (2).

Lorsque lesdits rayons de lumière (2) passent à proximité de l'étoile (3), ils sont attirés par cette dernière et sont déviés de leur trajectoire initiale.

Ces déviations engendrent plus loin des points de focalisation multiples (10).

En plaçant le capteur (5) à une certaine distance de l'étoile (3) sur l'axe optique (6), on n'obtient pas d'image du sujet (1).

Par contre, en plaçant le sélecteur de lumière (4) sur ledit axe optique (6) et selon des entre axes bien définis entre ladite étoile (3) et ledit capteur (5) on obtient sur ledit capteur un point image du sujet (1).

Les entre axes des différents constituants décrits ci-dessus, ainsi que leur alignement et la largeur de la fenêtre en forme de couronne (7) répondent à des formules mathématiques.

Un aperçu simplifié de ces formules est représenté ci dessous ainsi - x * y signifie<B>:</B> x multiplier par y - rsel est la distance entre le centre de la couronne (12) et le centre de la découpe de la couronne (7), exprimé en mètres.

- df est la distance focale exprimée en années lumière.

- rea est la résolution du point image centrale exprimé en secondes d'arc pour 1c exprimé en millimètres.

est la longueur d'onde moyenne à capter exprimé en micromètre.

- Ic est la largeur de la découpe (7), exprimé en millimètres et doit être supérieur â X.

- dsc est la distance entre le sélecteur (4) et le capteur (5), exprimé en kilomètres.

- r1 est le rendement global du capteur (5).

- ms est la masse de l'étoile (3) exprimé en masses solaires. - ma est la magnitude apparente de l'objet (1).

- of est la distance minimale entre le centre de l'étoile (3) et le passage des rayons lumineux en provenance de l'objet (1) qui formeront le point image, exprimé en kilomètres.

- sf est la surface de capture au niveau de l'étoile (3) exprimé en kilomètre carré, de la lumière en provenance de l'objet (1), qui formera le point image.

- tp est le temps de pause en secondes pour un nombre moyen de dix photons captés en provenance du sujet (1).

- dt est la distance exprimée en Unités Astronomiques que doit parcourir depuis la terre l'imageur à lentille gravitationnelle (3) dans le cas ou on utilise une étoile (3) autre que le soleil comme lentille gravitationnelle.

- aeo est l'angle exprimé en seconde d'arc que fait l'objet (1) à observer avec l'étoile (3) qui sert de lentille gravitationnelle, depuis la terre, lorsque l'étoile (3) n'est pas le soleil.

rea = 1,6 * 10 - * df - s * ms - ,s * 1c / rsel ch<B≥</B> 3,2 * 10 - * 1c * rsel -' * df -0 s * ms -0.s of = 7,4 * 10 6 * df O#5 iris 0,5 sf=2n*of* 10-6*lc tp=(1,9* 10 '6*2,5'*sf*X*rl)-@ dsc = 9,5 * 10 9 * rsel * df /of dt =<B>0,31</B> * aeo * df La présente invention comporte de nombreux avantages par rapport aux méthodes d'observations classiques ainsi - elle possède une particularité qui lui est propre: les photons de lumière en provenance d'un sujet arrivent sur le capteur sans qu'il n'y ait eu aucun contact avec de la matière quelle qu'elle soit.

- Elle n'a pas de distorsions chromatiques, elle peut être utilisée pour la détection des ondes électromagnétiques allant des rayons X aux ondes centimétriques.

- Le facteur de contraste obtenu est théoriquement infini, et dans la pratique un facteur de plusieurs milliards peut être obtenu.

- Comme le montrent les formules ci-dessus, les résultats obtenus avec l'imageur à lentille gravitationnelle sont nettement supérieurs â ceux obtenus par les méthodes d'observation classiques. Ainsi avec l'imageur à lentille gravitationnelle en utilisant une étoile (3) d'une masse solaire, en prenant cent années lumière comme distance focale, dix centimètres pour Ic et cinquante mètres pour rsel, on peut observer un objet de magnitude 50 avec un temps de pause de 0,9 secondes avec une résolution de 0,00064 Seconde d'arc pour 1 = 0,5 et q = 0,2.

Le Very Large Telescope pourrait observer un objet de magnitude 50 s'il n'était pas gêné par les bruits de fond d'origines divers. Il lui faudrait alors environ 25 ans pour recueillir dix photons avec X = 0,5 et il = 0,2 en utilisant ses quatre miroirs de 8,2 mètres de diamètre en observant 12 heures par jours, 180 jours par an.

L'imageur à lentille gravitationnelle (3) est donc particulièrement bien approprié à l'observation en imagerie de planètes extrasolaires ou encore d'objets de très faibles magnitudes souvent très lointains et représentatifs du début de la formation de l'univers.

La présente description n'est pas limitative et l'invention peut comporter de nombreuses modifications sans pour autant sortir de son champ d'application.

Ainsi - un aménagement particulier de la présente invention, permet l'alignement permanent du capteur (4) et du sélecteur (5) sur l'axe optique (6).

Le dit aménagement particulier consiste à pratiquer trois ouvertures (11) dans le sélecteur (4), ouvertures équidistantes du centre de la couronne (12), à 120 degrés l'un de l'autre.

D'autre part, autour du capteur (5) sont fixés trois détecteurs de lumière (13) équidistants du capteur à 120 degrés l'un de l'autre.

Lesdites ouvertures (11) laissent passer les rayons de lumière en provenance de l'étoile (3), et forment ainsi trois points lumineux qui sont détectés par lesdits détecteurs de lumière (13), ce qui permet le positionnement permanent du capteur (5) sur l'axe optique (6).

- Pour éviter que des rayons de lumière parasites arrivent sur le capteur (5) on dispose d'un ou plusieurs sélecteurs supplémentaires (14) situés entre le premier sélecteur (4) et le capteur (5).

Ce ou ces sélecteurs supplémentaires (14) sont des couronnes qui empêchent les rayons lumineux en provenances d'endroits indésirables (15) d'atteindre le capteur (5).

Ledit ou lesdits sélecteurs (14) sont centrés sur l'axe optique (6). Un tel sélecteur est représenté en (14).

- Le sélecteur (4) peut être une baudruche de forme parabolique (16) recouverte d'un film réfléchissant les rayons solaires vers un point de focalisation (17) ou ils seraient récupérés et utilisés pour les divers besoins de l'invention.

Lesdits besoins étant - la propulsion des différents éléments de l'imageur à lentille gravitationnelle. - Les transmissions de données.

- Ladite baudruche de forme parabolique (16) peut être utilisée également pour focaliser les ondes radios utilisées pour les transmissions de données.

L'énergie ainsi récupérée est de l'ordre de dix mégawatts à une unité astronomique du soleil, pour un diamètre du sélecteur (4) de cent vingt mètres. L'autre face du sélecteur (4) est noir et est dirigée du coté du capteur (S) pendant les observations. Cette solution représente un bon compromis entre la légèreté et la simplicité de réalisation.

Claims (2)

REVENDICATIONS.

1) Dispositif optique d'observation mettant en oeuvre au moins une lentille gravitationnelle, au moins un capteur de photons et au moins un corps céleste à observer, ladite lentille gravitationnelle, ledit capteur de photons et ledit corps céleste étant alignés sensiblement sur un axe optique, caractérisé, en ce que ledit dispositif comporte des moyens permettant de réaliser un point de focalisation unique sur ledit capteur (5), et en ce que lesdits moyens sont constitués d'un sélecteur (4) de lumière, et en ce que ledit sélecteur (4) opère du Fait qu'il fait barrière aux rayons de lumière non souhaités (15) sur ledit capteur (5), et en ce que ledit sélecteur laisse passer les rayons de lumière souhaités (9) sur ledit capteur (5), et en ce que lesdits rayons de lumière souhaités (9) sur ledit capteur (5) sont ceux qui forment un point focal unique sur ledit capteur (5), et en ce que ledit sélecteur (5) est constitué par une surface opaque dans laquelle est pratiquée une fenêtre (7) ayant une géométrie bien déterminée, et en ce que ladite géométrie bien déterminée revêt sensiblement la forme d'une couronne.

2) Dispositif selon la revendication 1) caractérisé en ce que les dimensions de ladite surface opaque de ladite couronne (7) ainsi que la distance dudit sélecteur (4) et dudit capteur (5) par rapport à ladite lentille gravitationnelle (3) et par rapport audit sujet répondent à des formules mathématiques bien précises et spécifiques au calcul du présent dispositif.