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Le ciel à découvert

 | 
Jean Audouze

Troisième partie. Les galaxies et les grandes structures de l’Univers

19. Arcs et lentilles gravitationnelles

Yannick Mellier

Texte intégral

Les lentilles gravitationnelles

1La Relativité Générale proposée par Albert Einstein en 1915 est une théorie de la gravitation dont la validité est aujourd’hui confortée par l’accord entre ses prédictions et tous les tests expérimentaux. La gravitation étant une interaction à longue portée elle constitue la clef de voûte de notre description de l’Univers à grande échelle et sert de cadre général à l’interprétation des observations astronomiques. Une des prédictions les plus remarquables de cette théorie est la déflexion des rayons lumineux lorsqu’ils croisent des concentrations de matière au cours de leur propagation. Ce phénomène de « lentille gravitationnelle » est dû au fait qu’en Relativité Générale les photons suivent des géodésiques d’un espace-temps courbe dont les déformations sont localement déterminées par les concentrations de matière. En modifiant la propagation des photons, les objets astronomiques nous apparaissent déplacés sur le ciel par rapport à leur position apparente réelle en l’absence de déflexion gravitationnelle. La mesure de la déflexion de rayons lumineux des étoiles observées près du bord du Soleil lors de l’éclipse de 1919 est parmi les succès historiques des prédictions d’Einstein. C’était aussi une prouesse pour l’époque car les déflexions gravitationnelles sont en général de très faible amplitude : environ une seconde d’arc (soit moins d’un millième du diamètre apparent de la Pleine Lune) pour une masse déflectrice comme le Soleil, moins de dix seconde d’arc pour une galaxie de 1011 masses solaires, et environ 30 seconde d’arc pour une structure géante comme un amas de galaxies de 1015 masses solaires.

Fig. 1 – Géodésiques suivies par les photons dans un espace-temps courbe. Au centre, le champ de gravitation d’une concentration de matière altère localement l’espace-temps. Les photons émis par l’objet d’arrière-plan sont défléchis et semblent provenir de deux images différentes. Cette figure illustre à la fois l’effet de déflexion des rayons lumineux et l’effet de démultiplication des images. (Addison Wesley)

2Les lentilles gravitationnelles sont caractérisées par la distance et la position apparente sur le ciel de l’objet défléchi (la source), et par la distance et la masse du déflecteur (la lentille). Lorsque la masse de la lentille est connue, l’ensemble définit une configuration d’optique gravitationnelle, un banc d’optique cosmique. Pour un objet déflecteur quasi ponctuel, comme peut l’être une étoile, l’amplitude de l’angle de déflexion dépend de la masse totale contenue dans la lentille. Si la configuration peut être parfaitement décrite, la mesure de l’angle détermine directement la masse du déflecteur. Comme l’avait perçu l’astronome Franz Zwicky dès les années 1930, c’est cette relation « angle – masse » qui confère aux lentilles gravitationnelles leur intérêt astrophysique : elles peuvent nous servir de véritable balance cosmique, une sonde à distance permettant de mesurer la masse contenue dans les condensations de matière distribuées dans l’Univers. Ce qui est remarquable, c’est que pour mesurer les masses il suit de connaître les distances respectives de la source et de la lentille ainsi que leur position apparente sur le ciel. À aucun moment, les propriétés internes de la lentille ou celles des particules qui la constituent n’interviennent. C’est un effet très pur, qui est parfaitement décrit par les équations de la Relativité Générale.

Fig. 2 – Anneau d’Einstein quasi-parfait détecté par le télescope spatial Hubble. L’objet central est une galaxie et localise la lentille gravitationnelle responsable de la formation de l’anneau. (NASA/HST)

Fig. 3 – Une illustration de la multitude des effets de déformation gravitationnelle induits par un seul amas de galaxies. Les objets les plus étendus et brillants de ces images sont des galaxies appartenant physiquement à l’amas de galaxies Chaque cadre est un zoom de différents secteurs du même amas de galaxies observés par le télescope spatial Hubble. On y distingue une incroyable quantité d’arcs gravitationnels. La plupart des petits arcs sont des images de sources différentes, les arcs les plus grands étant en général composés de plusieurs images de la même source. (NASA, Benitez, Broadhurst, Ford, Clampin, Hartig, Illingworth, ACS Science Team, et ESA)

3L’intuition de Franz Zwicky fut confirmée au cours des dernières décennies, après la découverte du premier quasar à image multiple en 1979, il y a exactement trente ans, puis du premier arc gravitationnel en 1987. Dans ces deux cas, les astronomes ont découvert des configurations extraordinaires de lentilles gravitationnelles grâce à leurs propriétés exceptionnelles : amplification de la lumière de la source, démultiplication de ses images, altération catastrophique de sa forme apparente. Dans le cas du quasar multiple, la lentille gravitationnelle est complexe, une galaxie combinée à un amas de galaxies, alors que pour le premier arc gravitationnel, il s’agit d’un amas de galaxies parmi les plus riches et massifs de l’Univers connu à l’époque.

4Dans le cas de lentilles gravitationnelles simples, comme une étoile ou le Soleil, les physiciens peuvent facilement décrire le phénomène en faisant l’hypothèse qu’elles se comportent comme si toute leur matière était concentrée en un point central, une masse ponctuelle. Mais les configurations de lentille gravitationnelle qu’observent les astronomes, où des galaxies et les amas de galaxies sont responsables des déformations locales de l’espace-temps, sont en général plus complexes. Pour interpréter le phénomène, la distribution de la matière à l’intérieur de la lentille, mais aussi la position relative de la source par rapport au centre du déflecteur, sa taille et sa forme intrinsèque interviennent aussi. Lorsque la séparation apparente entre la source et le déflecteur croît, l’amplitude de l’effet décroît. Lorsque la source est étendue, chaque point de la source doit être traité individuellement. La position relative de chacun de ses éléments vis-à-vis du centre du déflecteur est différente et deux points différents de la source ne subissent pas la même déflexion. Par conséquent, la forme initiale de la source est altérée. On dit que la source subit un effet de cisaillement gravitationnel. Dans une configuration idéale où l’observateur, le déflecteur et la source sont parfaitement alignés, l’image de la source est transformée en anneau parfait centré sur le déflecteur, c’est un « anneau d’Einstein ». Si l’on déplaçait alors légèrement la source hors de l’axe, alors la symétrie est brisée et l’anneau se transforme en « arc gravitationnel ». Ces configurations sont exactement analogues à celles qu’il est possible de produire en laboratoire sur un banc d’optique en utilisant des lentilles déformantes particulières. Dans notre cas, c’est le potentiel gravitationnel qui joue le rôle de lentille déformante. Ces configurations qui forment des images astronomiques spectaculaires ont toutes été observées. Elles constituent des cas d’école qui valident les prédictions théoriques de « l’optique gravitationnelle » et qui fournissent aux astrophysiciens des cas quasi-idéaux de balance cosmique.

Voir l’invisible

5Si la découverte du premier quasar multiple fut une vérification des prédictions de l’optique gravitationnelle de la Relativité Générale, les arcs gravitationnels découverts dans les amas de galaxies ont véritablement hissé les lentilles gravitationnelles du rang de phénomène astronomique à celui d’outil d’exploration et de diagnostic pour l’astrophysique extragalactique et la cosmologie. Ils ont permis de montrer que, grâce aux déformations gravitationnelles des galaxies lointaines, il devient désormais possible de tracer les manifestations de la gravité et de reconstruire la distribution de masse d’objets astronomiques aussi complexes que les amas de galaxies.

Fig. 4 – Illustration de la propagation de la lumière dans l’Univers et des déflexions gravitationnelles multiples qu’induit chaque condensation. La boîte est une simulation numérique de l’Univers. Au départ, des particules de matière noire sont disposées de façon aléatoire. Puis, des fluctuations croissent et amorcent la formation des structures sous l’effet de la gravitation. L’amplitude et le taux de croissance dépendent du taux d’expansion de l’univers et de son contenu en matière-énergie. Au bout de plusieurs heures de calculs, les simulations numériques restituent ces univers virtuels dont les propriétés sont comparées à celles de l’Univers observé. Sa taille est d’environ 1 milliard d’années lumière de côté. Les structures rouges et blanches montrent la distribution de matière noire. Plus elles sont claires, plus la structure est dense. On remarque la structuration très filamentaire de l’Univers aux grandes échelles alors qu’elle semble plus contrastée et compacte à petite échelle. C’est une structuration caractéristique d’un univers dominé par de la matière noire froide. Les lignes jaunes illustrent les géodésiques que suivent les photons et qui sont déformées par les condensations locales de matière. Les ellipses bleues illustrent la forme des galaxies depuis l’émission de la lumière à gauche jusqu’à leur réception sur le télescope à droite. Leur élongation et leur orientation ont été modifiées sous les effets cumulés de toutes les déflexions gravitationnelles. (CNRS/IAP/NIC/Colombi-Mellier)

6Les amas de galaxies sont des structures gigantesques composées de milliers de galaxies confinées dans un volume des quelques millions d’années-lumière de diamètre et qui baignent dans un gaz ionisé d’électrons et de protons très chaud (quelques centaines de millions de degrés). Ce gaz est révélé par sa forte émission dans le domaine de longueur d’onde des rayons X. Les astrophysiciens savent que ce confinement n’est possible que si la masse totale contenue dans un amas de galaxies atteint 1015 masses solaires. Cela représente plus de cent fois la masse visible, celle qui est la source de la lumière qu’émettent les galaxies et que détectent nos plus grands télescopes. Cet écart considérable signifie que non seulement l’essentiel de la masse des amas de galaxies n’est pas visible, mais aussi qu’il y a 10 fois plus de masse dans les amas que dans les galaxies qui les composent (voir chapitre 16). Plus remarquable encore, cette matière ne peut pas être constituée de particules standards, comme des neutrons ou des protons, et que nous appelons génériquement des baryons. En effet, l’abondance observée des éléments légers, comme le Deutérium, l’Hélium 4 ou le Lithium 7, qui sont uniquement produits pendant les phases primordiales de l’univers, apportent des contraintes extraordinairement fortes et solides sur la quantité de baryons dans l’Univers (voir chapitre 23). Elles s’avèrent largement en deçà de la quantité de matière mesurée dans les amas de galaxies qui dépasse les prédictions des modèles de la nucléosynthèse primordiale d’un ordre de grandeur. Cette quantité de baryons est aussi mesurée de façon indépendante par les mesures des irrégularités du fond diffus cosmologique (voir chapitre 22), qui confirment celle de la nucléosynthèse primordiale. À ce jour, il semble donc impossible de la remettre en cause.

7Ces implications concernant l’existence d’une matière noire sont difficiles à accepter sans mettre en doute au préalable l’interprétation des observations. Peut être que nos hypothèses et notre compréhension de l’état physique des amas de galaxies sont trop simplistes, voire totalement inexactes. Pendant plus de cinquante ans, les astrophysiciens sont donc restés perplexes. La découverte de l’arc gravitationnel dans l’amas de galaxies Abell 370 en 1987 a permis de franchir une étape décisive. En effet, grâce à la théorie de l’optique gravitationnelle, la mesure de la position de l’arc relativement au centre de l’amas de galaxie a permis de déterminer directement sa masse, sans ambiguïté. Il a ainsi été possible de vérifier avec une quasi-certitude qu’effectivement les amas de galaxies sont totalement dominés par une matière invisible, dix fois plus abondante que dans les galaxies, et qui maintient leur confinement. C’est un résultat capital et, à l’époque, sans doute la preuve la plus solide que la matière noire domine le contenu matériel de l’Univers et qu’elle doit être de nature non baryonique. Cependant, il existe une alternative à l’hypothèse de l’existence de la matière noire, à savoir une remise en cause de la théorie de la gravitation elle-même. Si c’était le cas, alors cette théorie des lentilles gravitationnelles serait aussi invalide et tout l’échafaudage des physiciens et des astrophysiciens serait à revoir. Nous allons voir dans les paragraphes suivants que les lentilles gravitationnelles peuvent aussi nous éclairer sur ces points de vue hétérodoxes.

Fig. 5 - Projection sur le ciel de la simulation montrée sur l’image précédente. La carte montre ce que verrait un observateur avec son télescope : des galaxies dont les ellipticités ne sont plus distribuées aléatoirement mais dont les orientations et les ellipticités sont corrélées avec la distribution de la matière noire projetée sur le ciel. L’analyse des distorsions gravitationnelles cosmologiques conduite avec le grand relevé CFHTLS permet de reconstruire l’invisible, c’est-à-dire les fluctuations de densité que l’on voit sur cette carte. (CNRS/IAP/NIC/Colombi-Mellier)

8Plus d’une cinquantaine d’amas de galaxies présentant des arcs gravitationnels ont été répertoriés depuis lors. L’optique gravitationnelle appliquée cas par cas confirme systématiquement les conclusions des premières découvertes. Cependant, il y a quelques restrictions qui limitent la portée astrophysique des arcs gravitationnels. Ces phénomènes sont en effet exceptionnels puisqu’ils ne se produisent que dans des configurations optiques idéales où la source et le déflecteur se trouvent quasi alignés avec l’observateur. Ce sont donc des événements rares puisque nous savons que plus de 100 000 amas de galaxies sont observables avec les moyens actuels d’observation astronomique alors que moins d’une centaine d’arcs ont été identifiés. De plus, les arcs gravitationnels ne nous renseignent que sur la quantité de matière projetée le long de la ligne de visée et qui se trouve contenue dans un cône dont la section est dessinée par l’image de l’arc sur le ciel. Pour les astronomes, l’exploitation scientifique des arcs gravitationnels pour sonder la matière dans l’Univers semble donc très restreinte. Mais fort heureusement, les observations astronomiques avec les télescopes géants nous ont appris qu’il y a des dizaines de milliards de galaxies dans l’Univers. Cette constatation va faire exploser le champ d’exploration des lentilles gravitationnelles. Dans un angle solide correspondant à la dimension apparente de la Lune, les télescopes actuels peuvent observer plus de 50 000 galaxies. Or, un amas de galaxies comme Abell 370 couvre sur le ciel une dimension angulaire d’environ le quart de celui de la Lune. Il y a donc potentiellement plusieurs milliers de galaxies qui subissent, à des degrés divers, le champ gravitationnel de ce déflecteur. Sans produire pour chacune un arc spectaculaire, l’amas de galaxies les déforme pourtant toutes. Mais l’amplitude de l’effet sur chacune dépend d’une part de sa position vis-à-vis du centre de la lentille et d’autre part de la façon dont la matière est distribuée dans l’amas. En général, une galaxie d’arrière-plan n’est donc pas transformée en arc gravitationnel, mais elle subit plutôt un petit étirement, un cisaillement gravitationnel léger. Une galaxie de forme circulaire sera ainsi allongée selon une direction bien spécifique qui dépend de la forme et de l’intensité du champ gravitationnel qu’engendre le déflecteur. L’amplitude et l’orientation des déformations des galaxies d’arrière-plan ne sont donc pas aléatoires, et elles sont fortement corrélées. Les astrophysiciens ont démontré qu’une analyse statistique des déformations des galaxies permet ainsi de reconstruire la distribution de la matière à l’intérieur du déflecteur. Pour cela il faut produire une cartographie des « distorsions gravitationnelles » qui corresponde à celle de la distribution de la matière noire. Cette matière noire peut donc être « vue », tout comme la limaille de fer sur une feuille de papier « voit » le champ magnétique d’un aimant placé au-dessous. La résolution de la cartographie est déterminée par la densité de galaxies d’arrière-plan : plus une observation astronomique est profonde, plus la densité de galaxies projetée sur le ciel augmente. Les télescopes géants actuels atteignent de telles profondeurs que les détails de la distribution de matière dans les amas de galaxies sont identifiés jusqu’aux échelles des galaxies individuelles.

Fig. 6 – Analyse comparative de la distribution de la matière baryonique et de la matière noire dans l’amas de galaxies 1E0657-56. Les contours en vert représentent la distribution de la matière noire. Elle est reconstruite à partir de la déformation gravitationnelle des galaxies situées derrière cet amas. Les zones colorées représentent la distribution du gaz ionisé dans l’amas de galaxies. Plus la zone est brillante, plus la densité de gaz est élevée. Nous savons que la quasi-totalité de la matière « normale » (les baryons) est dans cette composante ionisée. On voit clairement que la matière noire et la matière ionisée ne se superposent pas du tout. De cette constatation les auteurs de cette recherche concluent que la matière noire doit exister et que l’hypothèse alternative qu’il n’existe pas de matière noire mais que la théorie de la gravitation est à revoir est exclue. Sinon, la carte de distorsion gravitationnelle doit uniquement se localiser là ou le gaz ionisé se trouve. Cette étude est un exemple remarquable des analyses scientifiques que permettent les lentilles gravitationnelles. D’après Clowe et al (2006)

9L’analyse statistique des déformations gravitationnelles subies par les amas de galaxies est aujourd’hui considérée comme un outil de base de l’astrophysique extragalactique. Plusieurs centaines d’amas de galaxies ont été explorées ainsi. Cependant, c’est en 2006 que son extraordinaire intérêt s’est véritablement révélé. Des astronomes ont entrepris une analyse simultanée d’observations en rayons X et en optique de l’amas de galaxies appelé 1E0657-56. Les données optiques ont été exploitées pour construire une carte de déformations gravitationnelles. Les données X ont permis de décrire la distribution du gaz ionisé dans l’amas de galaxies. L’abondance du gaz dans cet amas est si élevée qu’elle renseigne parfaitement les astronomes sur la répartition de la quasi-totalité de la matière standard baryonique dans l’amas de galaxies. Par contre, la carte de distorsion gravitationnelle nous révèle comment la matière totale se distribue dans la structure. Avec ces deux outils en mains, adoptons une attitude sceptique vis-à-vis de la matière noire en niant son existence. Comme nous l’avons évoqué plus haut, pour conserver une interprétation cohérente des observations dans un tel cadre, il faudrait remettre en cause la théorie de la Relativité Générale. C’est brutal, mais tout à fait possible, en principe. Dans une telle hypothèse la seule matière qui persiste est sa composante baryonique et dans ce cas, la carte de distorsion gravitationnelle doit rigoureusement correspondre à celle des observations X du gaz. Ce scénario a été confronté aux observations de 1E0657-56. Il apparaît que les deux cartes ne se superposent pas. Alors que la distribution du gaz est fortement localisée au centre de l’amas, la carte de distorsion gravitationnelle montre deux pics bien distincts de densité de matière disposés de part et d’autre du centre. Mieux encore, cette carte gravitationnelle a été confortée depuis par des images d’arcs gravitationnels obtenues avec le télescope spatial Hubble. Il semble donc ne faire aucun doute : la matière noire est bel et bien présente et domine cette structure.

Fig. 7 – Illustration des différents effets de lentille gravitationnelle. L’amplification gravitationnelle engendre un grandissement et une déformation des objets. Un objet source circulaire et étendu (non ponctuel comme une étoile) subit une amplification isotrope qui transforme le cercle source en un cercle plus petit ou plus grand suivant la configuration de la lentille gravitationnelle. Simultanément, la source subit une amplification anisotrope qui, au premier ordre, allonge l’objet et le transforme en une petite ellipse (image en bas à gauche). C’est le phénomène de « cisaillement gravitationnel » qui est responsable de la formation des arcs, des arclets (petits arcs) ou des effets de distorsion gravitationnelle cohérente des galaxies lointaines. Amplification et cisaillement coexistent, de même que les arcs, arclets et distorsion faible qui ne se différencient que par leur amplitude, leur caractère plus ou moins spectaculaire et leur fréquence. Toutes les galaxies lointaines seront en fait plus ou moins déformées et amplifiées par les lentilles ; mais plus la position apparente (projetée de long de la ligne de visée) d’une source est proche du centre d’une lentille plus l’effet sera fort, comme l’illustre cette image (en haut à gauche). L’amas de galaxies est Abell 2218 observé par le télescope Hubble (en haut à droite). En analysant les ellipticités et orientations des galaxies une carte de déformation est construite (carte en tirets bleus en bas à droite) avec laquelle la carte de densité de matière noire est reconstruite (juste au-dessus de la carte en tirets). Image composée d’après Bernardeau et Mellier, Images de la Physique

10Ce cas d’école montre le formidable potentiel de diagnostic des lentilles gravitationnelles pour la cosmologie mais aussi pour la physique fondamentale. Il faut cependant rester prudent quant à son interprétation. Il fait encore aujourd’hui l’objet d’abondantes discussions et s’il est justifié d’admettre qu’il contrarie la voie alternative d’une gravitation différente de la relativité générale, il est encore trop tôt pour en tirer des conclusions définitives. Il faut se souvenir que la physique tente d’interpréter les phénomènes de la Nature, mais qu’elle apporte rarement des vérités sans équivoque.

Les distorsions gravitationnelles à l’assaut de la cosmologie

11Grâce à l’analyse statistique des déformations gravitationnelles, on peut en principe explorer tous les amas de galaxies visibles dans l’Univers observable et établir des diagnostics statistiques sur ces structures. Cependant, la matière n’est pas uniquement distribuée dans les amas de galaxies. Elle s’agglutine aussi dans des systèmes plus compacts, comme les galaxies, des groupes physiques de quelques galaxies ou dans des structures plus ténues et irrégulières et constituées de dizaines de milliers de galaxies comme les super-amas de galaxies ou bien de gigantesques filaments dont les dimensions dépassent plusieurs centaines de millions d’années-lumière. L’ensemble de ces structures couvre un spectre très vaste en dimension et contraste. Elles résultent de fluctuations initiales qui furent progressivement amplifiées sous l’effet de l’accrétion par la gravité au cours de l’histoire de l’expansion de l’Univers (voir les chapitres 16, 20 et 22). Les cosmologistes nous ont appris que l’histoire de la formation de ces structures et leur répartition actuelle dans l’espace sont déterminées à la fois par le contenu en matière de l’Univers mais aussi par son contenu en énergie. Cette composante énergétique s’est vue brusquement prendre un rôle capital dans notre description du cosmos lorsqu’en 1998 les observations des supernovae ont révélé que l’Univers est en expansion accélérée.

12Pour que cela soit possible, il faut que l’Univers ne contienne pas uniquement de la matière noire répartie dans les structures mais aussi une composante plus homogène, l’énergie noire, dont la contribution au contenu en matière-énergie de l’Univers supplante aujourd’hui celle de la matière noire. Tout comme la matière noire, sa nature est totalement inconnue. Certains proposent qu’elle soit le résultat d’une constante cosmologique non nulle, mais actuellement on ne peut exclure d’autres hypothèses dont certaines impliquent de véritables révolutions pour la physique. L’identification de cette énergie noire est une des grandes énigmes de la cosmologie du XXIe siècle, et un des enjeux les plus fascinants de la physique fondamentale.

13Une des options possibles pour caractériser l’énergie noire est d’adopter une attitude « simpliste », même si elle est incomplète, en supposant que cette composante se comporte comme un fluide parfait. Dans ce cas, la physique nous apprend qu’il existe une relation très simple entre la pression P du fluide et sa densité ρ. Cette relation s’appelle une équation d’état. Elle peut s’écrire sous la forme simple P = w ρ. Pour de la matière noire ordinaire on a w = 0, alors que pour la lumière, c’est-à-dire des photons, on a w = 1/3. Cependant, pour l’énergie noire dont les propriétés sont inconnues, l’éventail des valeurs possibles de ce paramètre est vaste et il pourrait même évoluer au cours du temps, pendant l’histoire de l’expansion de l’Univers. S’il s’agit d’une constante cosmologique, alors nous savons que w = -1 et qu’il reste constant. S’il s’agissait par contre d’une composante de type cordes cosmiques, alors w = -1/3. Le point remarquable pour les astrophysiciens c’est que chacune de ces options conduit à une histoire de l’Univers et de la formation des structures différentes. La valeur de w doit donc se « voir » aujourd’hui et dans le passé par la distribution spatiale des galaxies, des amas de galaxies, des super-amas et des grands filaments. En d’autres termes, la distribution des fluctuations de densité caractérisée par le champ de distorsion gravitationnelle sera différente suivant la valeur de w et il est donc possible de sonder l’énergie sombre avec l’effet de lentille gravitationnelle.

14Comme pour tous les phénomènes physiques, les astrophysiciens appellent les propriétés statistiques de la distribution de la matière noire selon toutes les échelles, des galaxies aux filaments, un spectre de fluctuations. Tout comme la matière noire, certaines des propriétés de l’énergie noire peuvent donc être décryptées au travers de ce spectre de fluctuation. L’énergie noire sera « visible » par ses signatures observées dans les effets de distorsion gravitationnelle. Mais contrairement à l’étude particulière d’un amas de galaxies, nous nous intéressons désormais aux effets engendrés par l’Univers tout entier. Cet effet de distorsion gravitationnelle induit par l’ensemble de toutes les structures cosmiques porte le nom de cisaillement gravitationnel cosmologique. Pour le détecter, faut donc explorer les déformations gravitationnelles accumulées par toutes les structures traversées le long d’une ligne de visée, puis conduire l’analyse sur une très vaste partie du ciel. De là, les astrophysiciens peuvent mesurer les fluctuations à chaque échelle et reconstruire le spectre complet de densité. Une fois recomposé, ce spectre est alors comparé aux prédictions théoriques d’une panoplie de scénarios cosmologiques. La grande force de l’approche est liée au fait que l’effet de lentille gravitationnelle s’applique à toutes déformations de l’espace courbe, indépendamment de la nature de la lentille ou de sa taille. La cartographie à grande échelle des déformations gravitationnelles faibles peut donc être directement interprétée comme une vision de ce spectre de fluctuation.

L’observation des distorsions gravitationnelles cosmologiques

15La mesure des distorsions gravitationnelles sur des échelles aussi grandes présente quelques difficultés techniques. Elle demande une mesure précise des formes des galaxies car les déformations induites par les structures sont de plus en plus faibles lorsque leur dimension augmente. Or les formes des galaxies observées par les télescopes sont aussi altérées par la turbulence atmosphérique, par les aberrations optiques et par des dysfonctionnements instrumentaux. L’amplitude de ces contaminations dépasse largement les effets gravitationnels qui nous intéressent et leur correction est particulièrement difficile. De plus, pour explorer un vaste domaine d’échelle, il faut aussi observer des millions de galaxies sur d’immenses étendues du ciel. Pour atteindre ces objectifs un imposant projet fut mis en place sur le Télescope Canada-France-Hawaii (CFHT). Il a commencé par une phase exploratoire entre 1999 et 2003 au cours de laquelle de petites portions du ciel furent observées au CFHT (le projet VIRMOS-DES-CART) et au Very Large Telescope (VLT) de l’European Southern Observatory (ESO). Ces données ont permis de détecter pour la première fois les effets de distorsions gravitationnelles cosmologiques. Le principe de la méthode, ainsi que les outils d’analyse et d’interprétation cosmologique des observations ont ainsi pu être validés. Mais c’est avec le grand relevé Canada-France-Hawaii Legacy Survey (CFHTLS) que le projet devient opérationnel. En 2002, le CNRS en France et le CNRC (Centre National des Recherches Canadiennes) au Canada ont joint leurs efforts pour consacrer 500 nuits d’observation du CFHT à ce formidable programme. Ils ont tout d’abord financé la rénovation du foyer primaire du télescope (MegaPrime), et le Commissariat à l’Énergie Atomique (CEA) a mis au point la plus grande caméra CCD panoramique au monde (MegaCam). Elle est composée d’une mosaïque de 36 CCDs qui, à chaque pose, couvre un champ grand comme quatre fois celui de la Pleine Lune.

16Les observations ont commencé en 2003 et viennent tout juste de s’achever. Un grand programme Franco-Canadien d’analyse du cisaillement gravitationnel cosmologique a été mis en place. Il a déjà permis de mesurer le spectre de fluctuation de densité avec une qualité et une précision 10 fois supérieure à toutes les analyses précédentes. Les analyses détaillées avec les données les plus récentes sont toujours en cours. Elles devraient s’achever fin 2010. De ce sondage, il sera alors possible de construire une vraie carte de la matière noire projetée sur le ciel, comme il existe aujourd’hui des cartes montrant la distribution de la lumière des galaxies projetée sur le ciel. Mais les premiers résultats sont déjà là. Les effets de distorsion gravitationnelle cosmologique montrent une remarquable similitude avec ceux d’un univers qui contient effectivement une très grande quantité de matière noire et d’énergie noire. Lorsqu’est analysée avec attention comment les effets de lentille gravitationnelle changent avec la dimension des structures, il apparaît que certains types de matière noire sont incompatibles avec les données. La matière noire doit être « froide », c’est-à-dire qu’elle se compose de particules qui se déplacent à des vitesses très inférieures à celle de la lumière. Plus remarquable encore, il semble que l’énergie sombre ait des propriétés proches de celles liées à une constante cosmologique non nulle. Les effets gravitationnels de lentille sont donc bien là et bien « visibles ». La gravitation fait son œuvre et son action trahit celles cachées et insidieuses de l’énergie et la matière noire, à la plus grande satisfaction des physiciens.

17Cette quête de l’énergie sombre et des effets de la gravitation ne fait que commencer. Nous savons aujourd’hui que les effets de l’énergie sombre sont tellement fins et subtils que seules les prochaines générations d’instruments optimisés seront capables d’en distinguer des signatures sans équivoque et de nous en révéler la nature profonde. Les effets de lentilles gravitationnelles cosmologiques constituent un des outils les plus prometteurs pour y parvenir. Des projets d’observations spatiales sont en préparation qui devrait permettre un formidable bond en avant grâce à la suppression de la turbulence engendrée par l’atmosphère. À l’ESA, l’agence spatiale européenne, le projet EUCLID est à l’étude. Son objectif est d’envoyer dans l’espace d’ici 2020 un télescope capable d’observer les effets de déformation gravitationnelle sur la totalité du ciel avec une précision 100 fois supérieure aux meilleurs projets actuels. Imaginez un super-télescope Hubble qui à chaque observation sondera un champ 1 000 fois plus grand que le télescope Hubble, mais avec la même qualité d’image, et dont le seul objectif sera la mesure des effets de lentilles gravitationnelles cosmologiques. Les cosmologistes sont convaincus que cette formidable machine engendrera des découvertes exceptionnelles tant sur le plan de la cosmologie que sur celui de la physique fondamentale. Peut-être remettra-t-elle en cause la Relativité Générale elle-même. Ainsi, les lentilles gravitationnelles qui en sont ses enfants si extraordinaires en seront peut-être ses bourreaux.

Bibliographie

Références bibliographiques

• Bernardeau F., Mellier Y. 2003, Images de la Physique, CNRS.

• Bernardeau F. 2004 Pour la Science 326, numéro spécial « L’ère Einstein ».

• Clowe D. Bradãc M., Gonzalez A. H., Markevitch M., Randall S. W., Jones C., Zaritsky D. 2006, ApJ 648, L109.

• Mellier Y. 1999, ARAA 32, 127.

• Soucail G., Fort B., Mellier Y., Picat J.-P. 1987, A & A 172 L14 (découverte du premier arc gravitationnel).

• Van Waerbeke L., Mellier Y. 2005, «Cosmic Shear on Distant Galaxies» ; in Impact of Gravitational Lensing on Cosmology, IAU Symposium 225, Y. Mellier et G. Meylan eds, Cambridge, Cambridge University Press.

• Walsh D., Carswell R. F., Weymann R. J. 1979, Nature 279, 381 (découverte du premier quasar à image multiple).

Table des illustrations

Légende Fig. 1 – Géodésiques suivies par les photons dans un espace-temps courbe. Au centre, le champ de gravitation d’une concentration de matière altère localement l’espace-temps. Les photons émis par l’objet d’arrière-plan sont défléchis et semblent provenir de deux images différentes. Cette figure illustre à la fois l’effet de déflexion des rayons lumineux et l’effet de démultiplication des images. (Addison Wesley)
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Légende Fig. 2 – Anneau d’Einstein quasi-parfait détecté par le télescope spatial Hubble. L’objet central est une galaxie et localise la lentille gravitationnelle responsable de la formation de l’anneau. (NASA/HST)
URL http://books.openedition.org/editionscnrs/docannexe/image/11561/img-2.jpg
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Légende Fig. 3 – Une illustration de la multitude des effets de déformation gravitationnelle induits par un seul amas de galaxies. Les objets les plus étendus et brillants de ces images sont des galaxies appartenant physiquement à l’amas de galaxies Chaque cadre est un zoom de différents secteurs du même amas de galaxies observés par le télescope spatial Hubble. On y distingue une incroyable quantité d’arcs gravitationnels. La plupart des petits arcs sont des images de sources différentes, les arcs les plus grands étant en général composés de plusieurs images de la même source. (NASA, Benitez, Broadhurst, Ford, Clampin, Hartig, Illingworth, ACS Science Team, et ESA)
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Légende Fig. 4 – Illustration de la propagation de la lumière dans l’Univers et des déflexions gravitationnelles multiples qu’induit chaque condensation. La boîte est une simulation numérique de l’Univers. Au départ, des particules de matière noire sont disposées de façon aléatoire. Puis, des fluctuations croissent et amorcent la formation des structures sous l’effet de la gravitation. L’amplitude et le taux de croissance dépendent du taux d’expansion de l’univers et de son contenu en matière-énergie. Au bout de plusieurs heures de calculs, les simulations numériques restituent ces univers virtuels dont les propriétés sont comparées à celles de l’Univers observé. Sa taille est d’environ 1 milliard d’années lumière de côté. Les structures rouges et blanches montrent la distribution de matière noire. Plus elles sont claires, plus la structure est dense. On remarque la structuration très filamentaire de l’Univers aux grandes échelles alors qu’elle semble plus contrastée et compacte à petite échelle. C’est une structuration caractéristique d’un univers dominé par de la matière noire froide. Les lignes jaunes illustrent les géodésiques que suivent les photons et qui sont déformées par les condensations locales de matière. Les ellipses bleues illustrent la forme des galaxies depuis l’émission de la lumière à gauche jusqu’à leur réception sur le télescope à droite. Leur élongation et leur orientation ont été modifiées sous les effets cumulés de toutes les déflexions gravitationnelles. (CNRS/IAP/NIC/Colombi-Mellier)
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Légende Fig. 5 - Projection sur le ciel de la simulation montrée sur l’image précédente. La carte montre ce que verrait un observateur avec son télescope : des galaxies dont les ellipticités ne sont plus distribuées aléatoirement mais dont les orientations et les ellipticités sont corrélées avec la distribution de la matière noire projetée sur le ciel. L’analyse des distorsions gravitationnelles cosmologiques conduite avec le grand relevé CFHTLS permet de reconstruire l’invisible, c’est-à-dire les fluctuations de densité que l’on voit sur cette carte. (CNRS/IAP/NIC/Colombi-Mellier)
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Légende Fig. 6 – Analyse comparative de la distribution de la matière baryonique et de la matière noire dans l’amas de galaxies 1E0657-56. Les contours en vert représentent la distribution de la matière noire. Elle est reconstruite à partir de la déformation gravitationnelle des galaxies situées derrière cet amas. Les zones colorées représentent la distribution du gaz ionisé dans l’amas de galaxies. Plus la zone est brillante, plus la densité de gaz est élevée. Nous savons que la quasi-totalité de la matière « normale » (les baryons) est dans cette composante ionisée. On voit clairement que la matière noire et la matière ionisée ne se superposent pas du tout. De cette constatation les auteurs de cette recherche concluent que la matière noire doit exister et que l’hypothèse alternative qu’il n’existe pas de matière noire mais que la théorie de la gravitation est à revoir est exclue. Sinon, la carte de distorsion gravitationnelle doit uniquement se localiser là ou le gaz ionisé se trouve. Cette étude est un exemple remarquable des analyses scientifiques que permettent les lentilles gravitationnelles. D’après Clowe et al (2006)
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Légende Fig. 7 – Illustration des différents effets de lentille gravitationnelle. L’amplification gravitationnelle engendre un grandissement et une déformation des objets. Un objet source circulaire et étendu (non ponctuel comme une étoile) subit une amplification isotrope qui transforme le cercle source en un cercle plus petit ou plus grand suivant la configuration de la lentille gravitationnelle. Simultanément, la source subit une amplification anisotrope qui, au premier ordre, allonge l’objet et le transforme en une petite ellipse (image en bas à gauche). C’est le phénomène de « cisaillement gravitationnel » qui est responsable de la formation des arcs, des arclets (petits arcs) ou des effets de distorsion gravitationnelle cohérente des galaxies lointaines. Amplification et cisaillement coexistent, de même que les arcs, arclets et distorsion faible qui ne se différencient que par leur amplitude, leur caractère plus ou moins spectaculaire et leur fréquence. Toutes les galaxies lointaines seront en fait plus ou moins déformées et amplifiées par les lentilles ; mais plus la position apparente (projetée de long de la ligne de visée) d’une source est proche du centre d’une lentille plus l’effet sera fort, comme l’illustre cette image (en haut à gauche). L’amas de galaxies est Abell 2218 observé par le télescope Hubble (en haut à droite). En analysant les ellipticités et orientations des galaxies une carte de déformation est construite (carte en tirets bleus en bas à droite) avec laquelle la carte de densité de matière noire est reconstruite (juste au-dessus de la carte en tirets). Image composée d’après Bernardeau et Mellier, Images de la Physique
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Auteur

Astronome à l’Institut d’Astrophysique de Paris et à l’université Pierre et Marie Curie où il travaille sur les lentilles gravitationnelles et leur exploitation pour la cosmologie. Il est co-découvreur du premier arc gravitationnel et a dirigé l’équipe qui a détecté et analysé les premiers effets de distorsion gravitationnelle cosmologique. Ses recherches dans ce domaine ont récemment été récompensées par le Prix Jean Ricard de la Société française de Physique, le Prix franco-allemand Humboldt-Gay Lussac et, en 2009, la médaille d’argent du CNRS. Il dirige le centre de traitement de données astronomiques Terapix

© CNRS Éditions, 2010

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