L’effet de lentille gravitationnelle

Peut-être avez-vous déjà entendu ce terme employé en astrophysique ? mais connaissez-vous le mécanisme auquel il fait référence ?

L’idée de base est simple : la lumière peut-être déviée par une masse au même titre qu’une comète passant à proximité de la Terre peut voir son orbite modifiée par la présence de la masse de la Terre. En effet, selon la loi de la gravitation de Newton, deux masses en présence l’une de l’autre s’attirent. De fait, les premières idées sur la déviation de la lumière par la masse datent de Newton. Or, dans le cadre de la théorie newtonienne, un problème majeur empêche la description de ce phénomène : la masse au repos du photon est nulle ! Ainsi, dans le cadre newtonien il est impossible d’expliquer cette déviation de la lumière par une masse puisque selon les équations de Newton il faut DEUX masses en présence !

Il aura fallu attendre les formidables travaux d’Albert Einstein pour être capable d’exprimer mathématiquement cette déviation. En effet, selon la relativité générale, chaque masse présente dans l’Univers courbe l’espace-temps. Nous pouvons imaginer un énorme draps tendu sur lequel nous posons des boules de pétanque plus ou moins lourdes. La surface du draps se voit alors modifiée et au lieu d’être plate et tendue elle est courbée par endroit. Ainsi, l’espace-temps au même titre que le draps se voit courbé par la présence des planètes, galaxies et autres objets célestes. Par conséquent, il n’est plus nécessaire d’attribuer une masse aux photons pour expliquer leur déviation ! La lumière suit le trajet le plus court pour se rendre d’un point à un autre, ainsi dans un espace courbé, la courbure étant imposée par les objets massifs, elle ne se déplacera pas en ligne droite mais selon une courbe passant à proximité du corps déformant l’espace-temps.

La première observation du phénomène de lentille gravitationnelle a été réalisée en 1919 lors d’une éclipse de Soleil. Le principe de cette observation est simple. On compare les positions relatives des étoiles à l’emplacement sur la voûte céleste où va avoir lieu l’éclipse, aux positions mesurées pendant l’éclipse. L’avantage d’observer ceci durant l’éclipse de Soleil est de pouvoir voir simultanément le Soleil et les étoiles, le Soleil jouant le rôle de lentille gravitationnelle.

Les effets produits par une lentille gravitationnelle peuvent être de différents types en fonction de l’importance de la masse jouant le rôle de lentille. Il est possible d’avoir un changement de position apparente comme ce fut le cas en 1919, un changement de la forme de l’objet observé, une amplification ou dé-amplification lumineuse et finalement plusieurs images de la même source dans les cas les plus spectaculaires.

Nous pouvons maintenant nous demander en quoi cet effet de lentille gravitationnelle est utile pour les recherches modernes ? Cet effet est l’un des principaux outils en cosmologie observationnelle et en astrophysique extragalactique. Il a notamment été employé pour la mesure de la masse sombre à différentes échelles, puisque connaissant la déviation des rayons lumineux il est possible de retrouver la masse responsable de cette déviation.

En définitive, l’effet de lentille, tout d’abord perçu comme une curiosité théorique, puis, comme un effet exotique observé mais trop rare pour être intéressant, est devenu une technique de pointe utilisée pour étudier et tenter de comprendre les mécanismes de notre Univers.

Bibliographie : Cours d’introduction à l’astrophysique, F. Courbin et G. Meylan.