Les lentilles gravitationnelles

Il y a lentille gravitationnelle lorsqu'un objet céleste massif (une galaxie ou un amas de galaxies) courbe la lumière en s'interposant entre l'objet qui l'a émis (la plupart du temps une galaxie plus lointaine) et l'observateur. La courbure de la lumière fait, qu'en perspective, l'observateur verra ou photographiera deux images, ou plus, déformées de l'objet lointain. La lumière de l'objet, de plus, est amplifiée. La masse courbe la lumière sur la base de la théorie de la Relativité; Einstein lui-même avait prédit, en 1936, l'existence des lentilles gravitationnelles mais ce n'est pas avant les années 1980 qu'on en eut la preuve observationnelle. Il fallut attendre 1936 pour que Fritz Zwicky, un astronome suisse, réalise le potentiel des lentilles gravitationnelles pour étudier l'Univers au-delà de notre environnement stellar immédiat. Il travaillait sur le calcul des masses des amas de galaxies et il découvrit qu'il y avait de fortes chances que la lumière de galaxies distantes, situées derrière ceux-ci, serait détournée par eux. Pendant près de 50 ans, l'idée de Zwicky ne reçut que peu d'attention car les galaxies qu'on pourrait observer par ce moyen étaient, de toute façon, trop faibles. Mais, dans les années 1980, les techniques de l'imagerie digitale remplacèrent les plaques photographiques et accrurent de façon spectaculaire l'accès aux objets faibles. Le premier objet ainsi observé fut un arc, en 1986, découvert dans l'amas de galaxies Abell 370; il s'agissait de l'image déformée d'une galaxie spirale située deux fois plus loin que l'amas. La technique des lentilles gravitationnelles fit que le record de distance d'un objet céleste détenu depuis les années 1960 par une galaxie changea, en 1996, de titulaire

L'image distante est parfois si déformée qu'elle prend une forme d'anneau; on parle alors d'"anneau d'Einstein", d'après Einstein qui avait été le premier à prédire le phénomène (la déformation se fait via une masse extrêmement importante, ainsi, par exemple, un amas de galaxies); on donne aussi le nom d'anneau d'Einstein à l'anneau autour des trous noirs qui résulte de toutes les étoiles qui se trouvent dans une petite région directement située derrière ceux-ci et dont la lumière est déformée par la lentille gravitationnelle. D'une façon générale, les théories d'Einstein concernant les relations entre la masse d'un objet et l'espace qui l'environne amènent à cet effet de lentille gravitationnelle. Les lentilles gravitationnelles sont utiles en astronomie car elles permettent d'accéder à des objets distants qui, sans cela, resteraient inaccessibles. Les astronomes retirent les distortions de l'image et reconstruisent l'image normale de la galaxie. Elles font également partie des outils utilisés dans les recherches sur la matière noire et l'énergie noire. Les lentilles gravitationnelles s'observent également dans des télescopes qui ne travaillent pas dans la lumière visible, ainsi avec les télescopes qui observent dans l'infrarouge. Elles peuvent être produites par des objets tels des amas de galaxies et pas seulement par une seule galaxie. Début 2014, le télescope Fermi de la NASA a mesuré pour la première fois, dans les rayons gamma, une lentille gravitationnelle et a montré que la gravité de petites concentrations de matière dans la lentille peut avoir une influence sur les différentes sources qui la traversent; ce phénomène s'appelle "effets micro-lentille" (en anglais "microlensing effects"). Un des intérêts des lentilles gravitationnelles est que les images produites suivent habituellement des chemins divers et que leur lumière est également influencée par les courbes de gravité engendrées par la matière noire dans, par exemple, un amas de galaxies. Ces détours permettent ainsi de voir le même objet à des époques différentes. SPT0615, un amas de galaxies de la constellation du Chevalet du peintre est la lentille gravitationnelle la plus éloignée connue, à seulement 500 millions d'années après le Big Bang

Aux alentours de 20% -ce qui est important- des galaxies lointaines apparaissent brillantes du fait que leur lumière est amplifiée par une forte lentille gravitationnelle. De nombreuses galaxies, à ces distances, semblent, ainsi, se trouver près de galaxies plus proches de nous. Quelquefois la lentille gravitationnelle déforme l'apparence de l'objet lointain ou affecte sa luminosité, quelquefois la lentille divise la lumière de l'objet et en fait apparaître deux ou plus. Dans de rares cas, la lentille gravitationnelle provient d'une galaxie qui contient un quasar et on vise maintenant à établir un catalogue de telles "lentilles quasar", lesquelles devraient, finalement, s'avérer nombreuses, de l'ordre de centaines de milliers. L'"effet de lentille gravitationnelle faible" (en anglais, le "weak gravitational lensing effect", ou "cosmic shearing") consiste en de minuscules distortions des images de galaxies lointaines qui sont causées par la distribution inégale de la matière dans l'Univers, y compris la matière noire. L'effet Sunyaev-Zel’dovich est la distortion de la radiation cosmologique micro-ondes de fond par des électrons à haute énergie et est lié aux lentilles gravitationnelles qui se forment du fait d'amas de galaxies

Une seule galaxie, quelquefois, a une taille suffisamment importante pour agir comme lentille gravitationnelle. Une micro-lentille gravitationnelle, par ailleurs, se fonde sur l'alignement apparent entre deux étoiles, alignement fondé sur le hasard seulement: lorsqu'une étoile semble, en perspective, passer devant une étoile plus lointaine, l'étoile de l'avant-plan agit comme une lentille gravitationnelle. Un tel passage dure de l'ordre du mois et permettent des études détaillées de l'étoile de l'avant-plan pour, par exemple, rechercher des exo-planètes. Même une exo-planète elle-même peut se comporter comme une lentille gravitationnelle. Les images de l'étoile de l'arrière-plan sont, elles, déformées et rendues plus lumineuses fonction de l'alignement des deux sources. Les micro-lentilles gravitationnelles furent découvertes en 1993 et tôt employées dans les recherches de la matière noire. On appelle "cosmic shear", en anglais ("cisaillement cosmique") le fait que la lumière, dans l'Univers, est également courbée non par des amas de galaxies mais aussi par les structures à grande échelle, lesquelles produisent un effet de gravité moindre et un signal très faible