LENTILLE GRAVITATIONNELLE

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La relativité générale prévoit que l'espace-temps est déformé au voisinage d'une concentration importante de masse. Par conséquent, la lumière ne se propage plus en ligne droite, ce qui produit par exemple un petit déplacement de l'image des étoiles lorsque le Soleil passe à proximité de la ligne de visée. Cet effet est observé pour la première fois le 29 mai 1919, par Arthur Stanley Eddington, au cours d'une éclipse totale de Soleil. De même, l'énorme masse qui est présente dans les amas de galaxies est susceptible de déplacer et de déformer l'image des galaxies situées à une plus grande distance. Ces images déformées, en général en forme d'arc, sont découvertes en 1986 par deux équipes indépendantes : celle de Geneviève Soucail, de Bernard Fort et de leurs collègues de l'Observatoire de Toulouse, et celle de Roger Lynds et de Vahe Petrosian aux États-Unis. L'étude de ces images permet de déterminer la masse des amas de galaxies et leur distribution ; elle devrait même permettre de cartographier l'ensemble des masses dans l'Univers, qui constitue un programme en cours mais de longue haleine. Des masses plus petites, comme celles des étoiles et même des planètes, peuvent aussi produire des effets spectaculaires sur les objets d'arrière-plan. On a découvert ainsi des étoiles qui n’étaient pas observables directement, car trop froides ; ces dernières forment pourtant une partie importante de la masse de notre Galaxie.

Lorsque la lune passe devant le Soleil, le phénomène d’éclipse apparaît comme un assombrissement de la zone terrestre affectée. Mais que se passe-t-il lorsqu’une étoile passe devant une autre étoile ? Les systèmes d’étoiles doubles sont très fréquents et les astronomes ont observé depuis le Moyen Âge le clignotement de l’une d’elles : Algol. Ce phénomène a été expliqué en 1782 par le Britannique Edward Pigott dans le cadre de la physique newtonienne comme un obscurcissement temporaire dû au passage de l’étoile « compagnon » entre l’observateur et l’étoile principale du couple stellaire. La question a inspiré l’astronome suisse André Maeder qui a démontré en 1973 que la théorie gravitationnelle d’Einstein prédisait que, dans certaines conditions, l’éclipse pouvait au contraire conduire à un accroissement de la luminosité observée. Ce résultat surprenant vient du processus de courbure des rayons lumineux passant à proximité d’un corps très massif. Quarante ans plus tard, cette prédiction théorique vient d’être observée.

Dans son programme de recherche de planètes hors du système solaire, le télescope spatial Kepler de la N.A.S.A. a observé que la luminosité de l’étoile KOI 3278 variait avec une période de 88 jours environ. Deux astronomes de l’université de Washington à Seattle (États-Unis) ont entrepris de mesurer précisément cette variation afin de déterminer les caractéristiques d’une nouvelle exoplanète. À leur grande surprise, Eric Agole et son étudiant Ethan Kruse ont constaté que chaque période de 88 jours était le siège de deux phénomènes contraires : à l’assombrissement caractéristique du passage d’une planète devant une étoile succédait 44 jours plus tard un surcroît de luminosité d’un millième environ, pendant 5 heures. Ce cycle observé ne permet certainement pas de conclure à l’existence d’une exoplanète en orbite autour de KOI 3272, mais il est en parfait accord avec les prédictions de Maeder dans le cas d’un système d’étoiles doubles formé d’une étoile de taille comparable au Soleil accompagné d’une naine blanche plus dense et plus petite. La luminosité observée diminue lorsque la naine blanche est occultée, elle augmente lorsque la naine blanche passe devant et joue son rôle de lentille gravitationnelle. Publiée dans la revue Science en avril 2014, cette découverte a surpris Maeder, qui a déclaré qu’il ne s’attendait pas à ce que ce phénomène soit observé avant sa mort. Elle ouvre une nouvelle voie de recherche d’objets très compacts – trous noirs ou étoiles à neutrons –, dont on pourrait indirectement détecter la présence dans des systèmes doubles tels que KOI 3278.

Étoile double KOI 3278

Photographie : Étoile double KOI 3278

Dans le système binaire KOI 3278, la naine blanche fait office de lentille gravitationnelle. Cette vue d'artiste illustre le fait qu'elle focalise la lumière émise par son « étoile compagnon » lorsqu'elle passe devant elle. 

Crédits : NASA

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Écrit par :

  • : astronome émérite à l'Observatoire de Paris
  • : directeur de recherche émérite au CNRS, centre de physique théorique de l'École polytechnique, Palaiseau

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Pour citer l’article

James LEQUEUX, Bernard PIRE, « LENTILLE GRAVITATIONNELLE », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 01 décembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/lentille-gravitationnelle/