Les mirages gravitationnels

La théorie de la Relativité Générale prédit que les rayons lumineux sont déviés au voisinage d'objets massifs. Cette prédiction fut vérifiée pour la première fois lors de l'éclipse totale de 1919, qui permit d'observer une modification temporaire de la position apparente des étoiles proches du limbe solaire, sous l'action du champ gravifique du soleil.

Si la source lumineuse, le déflecteur massif et l'observateur sont suffisamment bien alignés, ce phénomène peut donner lieu à l'apparition d'images multiples de la source, produisant ce que l'on appelle un mirage gravitationnel. Le déflecteur est appelé lentille gravitationnelle.

 

Le phénomène de mirage gravitationnel

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Cependant, pour produire des images multiples dont la séparation est suffisamment grande pour pouvoir être observée à l'aide d'un télescope, la masse du déflecteur doit être très importante: par exemple une galaxie dans sa totalité.

 

La source lumineuse doit donc être située très loin, derrière une galaxie massive, et doit être suffisamment brillante pour pouvoir être visible à très grande distance.

Les quasars, qui sont les objets les plus lumineux de l'Univers, conviennent très bien comme sources de lumière. Le premier mirage gravitationnel fut découvert en 1979, lorsque des astronomes découvrirent que deux quasars apparemment distincts, mais séparés de seulement 6 secondes d'arc sur le ciel, présentaient le même spectre. Les observations montrèrent qu'ils n'étaient, en fait, que deux images d'un seul et unique quasar.

 

Depuis lors, quelques centaines de quasars à images multiples ont été découverts, plusieurs d'entre eux par l'équipe de Liège, comme le fameux "trèfle à quatre feuilles" (Magain et al. 1988, Nature 334, 325), pour lequel quatre images du même quasar très lumineux sont détectées.


Le "trèfle à quatre feuilles"
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Les quasars ne sont cependant pas les seules sources lumineuses susceptibles de présenter le phénomène de mirage gravitationnel. Quand la source est étendue, son image est généralement déformée en arcs. De très spectaculaires arcs lumineux géants sont observés quand la lumière provenant de galaxies d'arrière plan est déviée par des amas de galaxies très concentrés.

 

Arcs lumineux produits par l'amas Abell 2218

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Quand l'alignement entre la source, la lentille et l'observateur est presque parfait, l'image peut prendre la forme d'un anneau, appelé "anneau d'Einstein".


Anneau d'Einstein presque parfait produit par une galaxie elliptique

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Lorsque la source lumineuse est variable, ce qui est le cas de la plupart des quasars, un suivi photométrique du mirage gravitationnel permet de déterminer le délai temporel entre les différentes images du même objet et de mesurer les distances de la source et de la lentille. Ceci permet d'obtenir les distances d'objets très éloignés sans passer par de multiples étapes, comme dans les méthodes traditionnelles basées sur des « chandelles standard » comme les Céphéides et les Supernovae. Les mirages gravitationnels fournissent ainsi une méthode alternative de détermination des paramètres cosmologiques comme la constante de Hubble, qui mesure le taux d'expansion de l'Univers. C'est dans ce but que la collaboration internationale COSMOGRAIL a été mise sur pied.

Alternativement, si la constante de Hubble est obtenue par d'autres méthodes, les mirages gravitationnels peuvent être utilisés pour mesurer la masse de la galaxie lentille, incluant la matière sombre. Les mirages gravitationnels sont donc un outil puissant pour sonder la matière sombre dans l'Univers et, en tout premier lieu, pour confirmer ou infirmer son existence. L'utilisation de cette méthode nous a conduits à remettre en cause l'existence de halos de matière sombre autour des galaxies lentilles. L'explication de ce résultat constitue un défi majeur pour la cosmologie moderne.