Lentilles gravitationnelles : quand les galaxies dévient la lumière d’autres galaxies

Une lentille sans verre

Dans la théorie de la relativité générale, la lumière suit des trajectoires déterminées par la géométrie de l’espace-temps. Une grande masse peut ainsi modifier la direction depuis laquelle nous parvient la lumière d’un objet situé à l’arrière-plan. Lorsque l’alignement s’y prête, nous voyons plusieurs images de la même source, des arcs étirés ou des structures approximativement annulaires. La masse au premier plan agit alors comme une lentille gravitationnelle. Contrairement à une lentille de verre ordinaire, elle ne possède pas de surface soigneusement polie. Son effet dépend de l’ensemble de la répartition spatiale de la masse et des distances entre la source, la lentille et l’observateur. Cet effet ne signifie pas que la lumière serait déviée par une charge électrique ordinaire. Il résulte plutôt de la gravitation et concerne aussi bien la lumière visible que les ondes électromagnétiques à d’autres longueurs d’onde, dès lors qu’elles se propagent dans la même géométrie à grande échelle.

L’amplification ouvre des possibilités, mais s’accompagne de déformations

Une lentille gravitationnelle peut amplifier la lumière observée d’une source lointaine et accroître son étendue apparente. Elle rend ainsi accessibles des objets qui seraient plus difficiles à étudier sans cet effet. Toutefois, l’image obtenue n’est pas un portrait fidèle à l’original. Les formes sont altérées, les différentes régions sont agrandies à des degrés divers et apparaissent parfois en plusieurs exemplaires. Pour reconstituer la source d’origine, les scientifiques ont besoin d’un modèle de la masse au premier plan. Les incertitudes de ce modèle se répercutent sur les conclusions concernant la taille et la luminosité de la galaxie à l’arrière-plan. Les images multiples apportent aussi des informations supplémentaires : elles montrent la même source le long de différents trajets lumineux. Pour les objets variables, des décalages temporels peuvent ainsi devenir mesurables. La lentille n’est donc ni un simple artifice optique ni une lunette cosmique parfaite, mais un système physique dont l’effet doit lui-même être mesuré avec soin.

La masse invisible est cartographiée par des méthodes statistiques

Toutes les lentilles gravitationnelles ne produisent pas des arcs spectaculaires. Souvent, les déformations de chaque galaxie à l’arrière-plan sont si faibles qu’elles ne deviennent détectables que par une analyse statistique portant sur un très grand nombre d’objets. Cet effet de lentille gravitationnelle faible aide à étudier la répartition de la masse gravitationnelle à grande échelle. Il est également sensible à la matière noire, car la gravité de celle-ci agit indépendamment du fait qu’elle émette ou non de la lumière. La difficulté consiste à distinguer l’effet cosmique recherché des différences intrinsèques de forme entre les galaxies et des déformations instrumentales. Les grands relevés du ciel s’y prêtent particulièrement bien. Les cartes établies à partir des effets de lentille ne révèlent donc pas directement un nouveau type de particule, mais l’effet spatial de la masse dans le cadre des hypothèses de modélisation retenues. Combinées aux mouvements des étoiles, aux observations du gaz et aux données cosmologiques, elles permettent d’obtenir une représentation de la répartition de la matière nettement plus robuste que celle fournie par une seule méthode de mesure.

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