Lentilles gravitationnelles

Comment la masse courbe la lumière en anneaux, croix et arcs, et nous permet de peser ce que nous ne voyons pas

Étape par étape

La masse courbe la lumière

Pour le Soleil la déviation est minuscule. Pour une galaxie entière, ou un amas de galaxies, elle est assez grande pour se voir : une masse agit comme une lentille irrégulière, et la lumière de quelque chose de lointain derrière elle peut nous parvenir de plus d'une direction. Ici le point sombre est la lentille (dessinée), et la galaxie derrière elle est vue deux fois.

Alignement

Quand la galaxie du fond glisse dans l'alignement de la lentille, ses deux images tournent autour de la lentille, s'étirent et s'éclairent, et se rejoignent en un anneau.

L'équation de la lentille dit d'où la lumière semble venir. Quand la source est un peu décalée, il y a deux images, une de chaque côté de la lentille, un long arc du côté éloigné et un court tout près. Plus l'alignement est proche, plus les images s'étirent et plus elles brillent.

À l'alignement parfait, les deux images deviennent un cercle complet, l'anneau d'Einstein. Son rayon, le rayon d'Einstein, croît avec la racine carrée de la masse de la lentille. Vous pouvez l'essayer : faire glisser l'image pousse la galaxie du fond à travers la lentille, et les images suivent.

La Croix d'Einstein

Chaque image s'éclaire et s'efface à sa façon, car des étoiles isolées de la galaxie lentille passent devant elle et la dévient de nouveau. Les astronomes utilisent ce scintillement pour étudier le disque du quasar, une région de quelques jours-lumière seulement, qu'aucun télescope ne pourrait voir directement.

Peser la matière noire

L'équipe de Clowe l'a étudié en 2006. La lueur rose est le gaz chaud, vu en rayons X, qui contient la plus grande part de la matière ordinaire ; le bleu est la masse que trouvent les lentilles. Les deux sont dessinés ici là où ils ont été mesurés : la masse n'est pas là où est le gaz.

Le gaz est ralenti par la collision, comme le seraient deux nuages de fumée. La masse a continué de se déplacer avec les galaxies, comme si elle passait à travers elle-même. C'est l'une des meilleures preuves que la plupart de la matière est noire et n'interagit guère, et c'est difficile à expliquer en changeant seulement la gravité.

Une étoile vue à travers le temps

En 2022 l'équipe de Welch a trouvé Earendel dans un arc, l'Arc du Lever de soleil, qu'un amas étire à partir d'une galaxie à un décalage vers le rouge de 6,2. Juste sur une ligne où la lentille est la plus forte, l'amplification atteint des centaines ou des milliers, assez pour montrer une étoile isolée à une distance où aucune ne pourrait sinon être vue.

La lentille gravitationnelle est le télescope propre de la nature, et le télescope spatial James Webb utilise des amas ainsi pour ses images les plus profondes. Qu'Earendel soit une étoile ou quelques-unes est encore à l'étude. L'image montre un point de lumière, dessiné sur l'arc où il a été trouvé.