Notes sur le thème de découvrir l'Univers: la lentille gravitationnelle, Notes de Astronomie. Université des Sciences et Technologies de Lille (Lille I)
Caroline_lez
Caroline_lez9 January 2014

Notes sur le thème de découvrir l'Univers: la lentille gravitationnelle, Notes de Astronomie. Université des Sciences et Technologies de Lille (Lille I)

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Notes d'astronomie sur le thème de découvrir l'Univers: la lentille gravitationnelle. Les principaux thèmes abordés sont les suivants: Les lentilles gravitationnelles, La constante de Hubble.
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Une technique relativement récente et qui ne dépend pas de l'échelle des distances nous offre

une voie nouvelle et indépendante pour estimer la constante de Hubble et l'âge de l'Univers.

Cette méthode s'appuie sur l'une des conséquences de la relativité générale, l'existence des

lentilles gravitationnelles.

Les lentilles gravitationnelles

D'après la relativité générale, une distribution de masse, par exemple le Soleil, dévie les rayons

lumineux qui passent à proximité. Dans le cas de notre étoile, les effets restent très limités car

la masse mise en jeu est relativement faible. Mais les effets peuvent devenir très importants si

l'objet qui perturbe la lumière est extrêmement massif, par exemple s'il s'agit d'une galaxie ou

d'un amas de galaxies.

Imaginons que, par hasard, une galaxie proche et un quasar lointain se trouvent alignés sur une

même ligne de visée, c'est-à-dire exactement dans la même direction du ciel. La lumière qui

nous provient du quasar est alors fortement déviée lors de son passage près de la galaxie. Ainsi

par exemple, les rayons lumineux qui passent légèrement au-dessus de la galaxie sont déviés

vers le bas et donnent lieu à une image du quasar décalée vers le haut. Par contre, les rayons

lumineux qui passent sous la galaxie sont déviés vers le haut et donnent naissance à une image

du quasar décalée vers le bas. De cette façon, la galaxie proche, en perturbant la propagation

de la lumière du quasar, donne naissance à plusieurs images de celui-ci. Le nombre total

d'images est déterminé par la forme de la galaxie et la précision de l'alignement.

Notons encore qu'en plus de multiplier les images du quasar, la galaxie va également

concentrer la lumière de celui-ci et donc produire des images bien plus brillantes. Un effet qui

est loin d'être négligeable lorsque l'on observe des corps très peu lumineux.

Un anneau d'Einstein dans le système B1938+666. L'image du haut a été prise dans l'infrarouge par le

télescope spatial. Le point lumineux au centre est la galaxie relativement proche qui provoque l'effet

de lentille gravitationnelle. L'anneau tout autour est une image déformée d'une galaxie plus lointaine.

L'anneau n'est pas complet car les deux galaxies ne sont pas parfaitement alignées. L'image du bas

est le même objet observé dans le domaine radio par le réseau de 6 radiotélescopes MERLIN en

Grande-Bretagne. Sur cette image, on aperçoit très bien l'anneau, mais la galaxie proche n'est pas

visible car elle n'émet pas dans le domaine radio. Crédit : MERLIN/PPARC/NASA/STScI

L'effet de lentille gravitationnelle fut prévu par Einstein lui-même, mais il fallut attendre 1979

pour que le premier exemple réel soit observé. Cette année-là, les astronomes découvrirent

deux quasars très proches dans le ciel. Après analyse, les spectres des deux objets se

révélèrent pratiquement identiques depuis les ondes radio jusqu'aux rayons X. Il ne pouvait

s'agir que de deux images d'un seul et même quasar, plus tard baptisé Q0956+561. Des

observations ultérieures le confirmèrent et montrèrent que la lentille gravitationnelle était dans

ce cas constituée par une galaxie elliptique géante quatre fois plus proche de nous que le

quasar. Depuis cette époque, des dizaines d'images multiples de quasars ont été découvertes,

avec deux, trois ou quatre composantes.

Notons que lorsque l'objet le plus éloigné est ponctuel, c'est une simple multiplication des

images qui se produit, comme dans le cas précédent. Mais si l'objet est étendu, par exemple

une galaxie lointaine, les images sont en plus déformées et ressemblent à des arcs lumineux.

De nombreux cas de ce genre ont été observés, contenant parfois quelques arcs, parfois

plusieurs dizaines. En 1995, par exemple, le télescope spatial révéla l'exemple très

impressionnant de l'amas de galaxies Abel 2218 qui produit des images multiples de toute une

population de galaxies lointaines et donne naissance à plus de 120 arcs lumineux. Parfois,

lorsque l'alignement entre les deux objets est parfait, l'image de l'objet lointain peut être

modifiée au point de prendre la forme d'un anneau lumineux entourant l'image de l'objet

proche. Une dizaine de cas de ce type ont été observés.

La constante de Hubble

L'étude théorique des lentilles gravitationnelles a montré que celles-ci pouvaient se révéler très

utiles dans la détermination de la constante de Hubble. En effet, les rayons lumineux qui

contournent la lentille par différents côtés suivent des trajectoires qui ne sont pas identiques et

n'ont généralement pas la même longueur. Ainsi, le temps mis par la lumière pour nous

atteindre diffère selon l'image que nous observons. Pour cette raison, si le quasar subit une

brusque variation de luminosité, ses différentes images ne répercutent pas le changement de

façon simultanée, mais à des moments bien distincts dans le temps.

C'est la mesure de ce type de décalage qui peut nous conduire à la constante de Hubble.

L'analyse du phénomène montre en effet que le délai entre le changement de luminosité des

différentes images est inversement proportionnel à H0 et dépend très peu des autres

paramètres cosmologiques. S'il était possible de mesurer un tel délai, nous pourrions donc

remonter à H0 et obtenir une évaluation indépendante de cette constante.

En pratique, les choses ne sont une fois de plus pas si simples. La première difficulté consiste à

mesurer le délai entre les variations de luminosité de chaque image. Ceci est loin d'être aisé car

les quasars ne subissent pas toujours de fortes variations de luminosité. De plus, certaines

fluctuations d'intensité des images ne sont pas dues au quasar lui-même.

La mesure du délai n'est pas la seule difficulté. En effet, pour remonter à H0, il faut connaître la

répartition de la matière dans la galaxie qui fait office de lentille. Dans certains cas, ceci est très

compliqué car la galaxie principale est parfois située dans un amas qui contribue au

phénomène, et parfois d'autres amas plus éloignés interviennent également.

De nombreuses équipes se sont lancées dans l'utilisation de cette technique. L'une d'entre elles

a mesuré la valeur de H0 à partir de l'observation du quasar B0218+357 et a annoncé en 2003

une valeur de 78 kilomètres par seconde et par mégaparsec à 5 pour cent près. Une autre

équipe utilisant le quasar B1608+656 a annoncé la même année une valeur de 75 kilomètres

par seconde et par mégaparsec à 10 pour cent près.

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