PREMIÈRE OBSERVATION D'UNE LENTILLE GRAVITATIONNELLE À L'ÉCHELLE D'UNE GALAXIE

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Prédiction de l’effet de lentille gravitationnelle

Albert Einstein a formulé la théorie de la relativité générale – encore dite théorie de la gravitation – en 1915. Elle relie la structure de l’espace-temps, définie par la relativité restreinte (1905), à la présence des masses qu’il contient. La représentation de cette relativité générale, donnée par John Wheeler (1911-2008), est explicite : « La matière dit à l’espace-temps comment se courber et l’espace-temps dit à la matière [matière-énergie] comment se mouvoir. » Cette affirmation se vérifie par une prédiction correcte de l’expansion de l’Univers, découverte en 1929, et par les conséquences cosmologiques à très grande échelle qui en ont été déduites depuis (par exemple la répartition de la matière noire).

Vérifier localement la relativité générale fut plus difficile, à cause de la petitesse des masses mises en jeu. En 1919, la courbure locale de l’espace due à la masse du Soleil a été observée lors d’une éclipse totale de Soleil et a confirmé la validité de la relativité générale. Pourrait-on observer un phénomène semblable causé par la masse d’une étoile lointaine ? La déviation des rayons lumineux par cette masse produirait un effet semblable à celui d’une lentille convergente en optique, d’où l’apparition de l’expression « lentille gravitationnelle ». La question est discutée dès 1924, mais il faut attendre 1936 pour qu’elle soit reprise par Einstein qui introduit l’idée d’effet de lentille gravitationnelle. Celui-ci prévoit que l’observateur terrestre doit voir un anneau autour d’une étoile quand celle-ci dévie les rayons lumineux issus d’une étoile plus éloignée, à une seule et rigoureuse condition toutefois : il faut que, pour l’observateur terrestre, ces deux objets soient très parfaitement alignés. Le diamètre angulaire calculé de l’anneau est si petit qu’aucun télescope n’aurait assez d’acuité pour le distinguer : « Bien sûr, il n’y a aucun espoir d’observer ce phénomène directement », concluait Einstein. Il se trompait.

Stimulé par cette analyse, l’astronome Fritz Zwicky, recherchant une méthode nouvelle pour déterminer la masse des galaxies, montre l’année suivante que l’effet de lentille sera plus aisément décelable si celui-ci est causé par une galaxie massive plutôt que par une étoile. Puis les astronomes se désintéressent de ce sujet jusqu’en 1970. Cette année-là, Roger Lynds et Vahe Petrosian, observant avec l’un des télescopes du site de Kitt Peak (Arizona), découvrent sur un cliché d’amas de galaxies la présence d’arcs lumineux dont ils n’interprètent pas l’origine.

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Écrit par :

  • : professeur émérite de l'université Paris-VII-Denis-Diderot, membre de l'Académie des sciences

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Pierre LÉNA, « PREMIÈRE OBSERVATION D'UNE LENTILLE GRAVITATIONNELLE À L'ÉCHELLE D'UNE GALAXIE », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 25 juin 2022. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/premiere-observation-d-une-lentille-gravitationnelle-a-l-echelle-d-une-galaxie/