Certains des arcs lumineux les plus faibles de cette image sont en fait des galaxies situées à un peu plus de 13 milliards d'années-lumière, déformées par l'effet de lentille gravitationnelle, aussi appelé mirage gravitationnel. © Nasa

Sciences

Lentilles gravitationnelles : des mirages pour voir les galaxies lointaines

Question/RéponseClassé sous :Univers , lentille gravitationnelle , Galaxie

Le livre de l'astrophysicien J. Richard Gott L'univers est une éponge, paru aux éditions Dunod, raconte comment toute une génération de physiciens théoriciens et d'observateurs ont transformé en profondeur notre compréhension du cosmos. C'est notamment le cas de Fritz Zwicky, qui réussit à se servir des lentilles gravitationnelles pour observer dans de meilleures conditions des galaxies très lointaines.

L'univers à grande échelle ressemble-t-il à un ragoût de boulettes de viandes, à du gruyère ou à une éponge ? Pour répondre à cette question, astrophysiciens et cosmologistes ont tâtonné, hésité, vérifié leurs données, confronté leurs résultats. Dans son livre L'univers est une éponge, paru aux éditions Dunod, J. Richard Gott, professeur d'astrophysique à l'université de Princeton (États-Unis) nous raconte l'histoire de ces Hommes qui nous ont permis de mieux connaître l'univers.

Découvrez ci-dessous un extrait du livre et faites connaissance avec Fritz Zwicky, célèbre astrophysicien ayant notamment proposé l'existence d'étoiles à neutrons et celle de la matière noire. Voyez ici comment il réussit à se servir des lentilles gravitationnelles pour observer dans de meilleures conditions des galaxies très lointaines. Cette technique fut ensuite utilisée pour découvrir un quasar, qui permit de fournir une estimation de la constante de Hubble.

« Zwicky fut [...] un pionnier concernant un [...] outil important pour enquêter sur la matière sombre : les lentilles gravitationnelles. Selon la théorie de la relativité générale d'Einstein, le trajet de la lumière dans l'espace-temps est incurvé, ce qui avait bien été observé au passage de la lumière stellaire à proximité du Soleil lors de l'éclipse de 1919.

Découvrez le livre L'univers est une éponge, paru aux éditions Dunod. © Dunod

Des mirages gravitationnels

Vers 1936, Einstein avait reçu une lettre d'un astronome amateur, suggérant une conséquence de cette courbure des rayons lumineux : si une étoile lointaine se situait exactement sur la ligne de visée d'une autre étoile plus proche, cette dernière devrait agir comme une lentille et faire apparaître la lumière de l'étoile lointaine comme un anneau encerclant l'étoile de premier plan.

Einstein comprit que, dans le cas plus réaliste où les deux étoiles ne seraient pas alignées parfaitement, la lumière de l'étoile d'arrière-plan apparaîtrait sous forme de deux images, réparties des deux côtés de l'étoile de premier plan : un rayon émis vers la droite par l'étoile lointaine atteint la Terre après avoir été dévié vers la gauche ; symétriquement, un rayon émis vers la gauche atteint la Terre depuis une direction à peu près symétrique, après avoir été dévié vers la droite. La gravitation créerait ainsi un mirage cosmique, sous forme d'une image double de l'étoile d'arrière-plan.

Einstein pensait que les chances d'observer un tel effet étaient très faibles, que nos télescopes n'auraient pas le pouvoir de résoudre la double image. Mais Henry Norris Russell, de Princeton, suggéra, après avoir lu l'article d'Einstein, une manière de déceler un tel événement. En effet, la somme des luminosités des deux images dépasse la luminosité qu'aurait l'image sans effet de lentille. Et cela peut être détecté sans qu'il soit nécessaire de séparer les deux composantes : lorsque [la direction de] l'étoile d'arrière-plan s'approche de [celle de] l'étoile de premier plan (la lentille), la luminosité apparente (somme de celles des deux images) serait momentanément amplifiée d'une manière caractéristique.

Lorsque Zwicky entendit parler de cela, en 1937, il appliqua immédiatement l'idée de l'amplification et de la double image aux galaxies. Avec sa masse élevée, la matière (sombre ou pas) d'un amas de galaxies pouvait constituer une lentille gravitationnelle très efficace : pour amplifier et dédoubler (voire multiplier) la lumière d'une galaxie lointaine disposée en arrière-plan. L'amas agirait ainsi comme un véritable télescope gravitationnel permettant d'observer dans de meilleures conditions des galaxies très lointaines, qui parfois seraient même trop peu lumineuses pour être vues autrement. Encore une fois, Zwicky avait des décennies d'avance sur son temps.

L’effet de lentille gravitationnelle produit un mirage cosmique en courbant la lumière ; comme un mirage dans le désert, causé par la déflexion de la lumière en raison de gradients de température dans l’air. Le mirage du désert nous montre l’image d’un palmier lointain ainsi que sa « réflexion » dans ce qui semble être un lac aquatique. La gravité infléchit la lumière, comme l’a montré Einstein, parce que l’espace-temps dans lequel elle se déplace est courbe. Ici, nous voyons deux images d’un quasar lointain, des deux côtés d’une galaxie lenticulaire. © J. Richard Gott, American Scientist, 71 : 150, 1983

Observer des galaxies mais aussi des quasars

En 1979, Walsh, Carswell et Weymann découvrirent le quasar double 0957 : deux images d'un quasar unique, séparées d'environ 6 secondes d'arc sur le ciel, des deux côtés d'une galaxie lenticulaire de premier plan, elle-même effectivement observée. La galaxie lenticulaire jouait le rôle de lentille gravitationnelle, courbant les rayons lumineux provenant du quasar lointain, de manière à créer les deux images, comme le montre [le schéma ci-dessus].

En 1997, j'ai participé aux observations de ce système au sein d'une équipe dirigée par Tomislav Kundić et Ed Turner. Nous avons constaté une variation brusque de la luminosité de l'une des deux images du quasar lointain, suivi 417 jours plus tard par une variation semblable de la luminosité de l'autre. Le quasar lointain était éloigné d'environ 8,9 milliards d'années-lumière. Pour chaque image, la lumière avait voyagé vers nous le long d'un chemin dans l'espace-temps courbe, comme le montre [le schéma ci-dessus] ; les longueurs des deux trajets diffèrent légèrement, de 417 jours-lumière, correspondant au délai enregistré.

Si le quasar lointain avait été deux fois plus loin, le délai aurait été deux fois plus élevé. La modélisation du système, utilisant le décalage temporel observé, a permis de déterminer la distance au quasar lointain. Et la combinaison de cette distance avec la valeur mesurée du décalage (redshift) nous a fourni une estimation de la constante de Hubble [...]. »

Découvrez le livre L'univers est une éponge, de J. Richard Gott, paru aux éditions Dunod.

Cela vous intéressera aussi