Le Ciel - Bulletin de la Société Astronomique
de Liège Volume 62 (Novembre 2000), p.282
Les mirages gravitationnels (II)
Jean et Anna Surdej
Adaptation: André Lausberg
Histoire d'une découverte
Dans un article introductif paru dans notre bulletin de
septembre 2000 ("Le Ciel" - Bulletin de la Société
Astronomique de Liège, Vol. 62, p.199) nous avons décrit les
mirages atmosphériques. Ceux-ci présentent en effet de nombreux
points communs avec les mirages gravitationnels, dont l'étude passionne
depuis plus de 20 ans les astrophysiciens. C'est en effet en 1979 que, par un
heureux hasard, une image double d'un quasar fut découverte. Depuis
lors, des dizaines d'images multiples de quasars ont été
accumulées, et leur étude théorique a permis d'obtenir de
précieux enseignements à la fois sur les sources de rayonnement,
à savoir les quasars, ainsi que sur les déflecteurs * galaxies ou
amas de galaxies * qui dévient la lumière de ces mêmes
quasars. Par ailleurs, de nombreuses questions intéressant la cosmologie
ont pu être approchées d'une manière entièrement
nouvelle. Citons une déter- mination indépendante de la constante
de Hubble et la distribution des masses visibles ou cachées dans
l'Univers.
Cette moisson extraordinaire de résultats, qui fait augurer d'autres
découvertes majeures, a été précédée
de spéculations théoriques nombreuses et variées, bien
avant même l'avènement de la théorie d'Einstein.
Do not Bodies act upon Light at a distance, and by their action bend its
Rays; and is not this action strongest at the least distance?
(Isaac Newton 1704)
Ainsi, dès le début du XVIIIe
siècle Newton s'interroge sur l'action possible exercée par des
corps massifs sur la trajectoire de la lumière. C'est que le savant
anglais considérait la lumière comme pouvant être
constituée de grains élémentaires, que l'on appelle
aujourd'hui «photons » et qui, selon lui, devaient être
attirés par les corps massifs, à l'instar des particules de
matière. Il questionne donc avec prudence: «Pourquoi les corps
n'agiraient-ils pas à distance sur la lumière, en sorte que par
leur action ils courberaient les rayons; et cette action ne serait-elle pas
plus forte à courte distance? »
Au fond, en suivant ce raisonnement, la seule différence entre d'une
part une comète qui est déviée en passant près du
Soleil, et d'autre part un grain de lumière rasant notre étoile,
c'est que ce grain de lumière est doté d'une vitesse bien
supérieure (dans ce contexte, on ne se préoccupe pas trop de
savoir si le «photon » a une masse ou pas ...).
Le calcul de cette déviation, dans le cadre de la mécanique
newtonienne, a été effectué par l'astronome Soldner en
1804, à l'observatoire de Munich. La déviation trouvée,
pour un rayon passant au bord du Soleil, est de 0,875 seconde d'arc. Cependant,
durant les xviiie et xixe siècles, ni la conjecture de Newton ni le
résultat de Soldner ne furent pris au sérieux, car c'est une
description de la lumière en termes d'ondes qui prévalait, par
opposition à une description en termes de particules.
La question va resurgir dans un tout autre contexte au début du xxe
siècle, avec l'élaboration de la théorie de la
Relativité Générale. Einstein postule qu'un objet massif
comme le Soleil doit courber l'espace-temps dans son voisinage et que toute
particule, massive ou non (comme les photons lumineux) doit alors se mouvoir le
long d'une «géodésique » de cet espace-temps
courbé. Il prédit dès 1915 qu'un rayon lumineux passant au
ras du Soleil doit être dévié d'un angle égal
à 1,75 secondes d'arc, soit exactement le double de la valeur
calculée par Soldner.
Rappelons la célèbre formule d'Einstein, que l'on trouve dans
tous les livres de Relativité Générale. L'angle de
déviation est donné en fonction de la masse MSol du
Soleil et de son rayon RSol par:
=4GMSol/(c2RSol)=1.75"
valeur que l'on retrouve sans peine à l'aide d'une calculette, en se
rappelant la valeur de la constante de Newton G=6.67 ×10-11 (en
unités MKS) et celle de la vitesse de la lumière c=3
×108 m/s. (NB: le rapport est un nombre sans dimension,
dès lors l'angle est obtenu en radians, et 1 radian=2
×105").
Pour départager les théories de Newton et d'Einstein, il
suffisait en principe de photographier une portion du ciel entourant le Soleil
lors d'une éclipse totale, et de comparer ce cliché à
celui obtenu en photographiant les mêmes étoiles en l'absence du
Soleil. Ce fut fait pour la première fois en mai 1919 et 6 mois plus
tard, par Eddington et ses collaborateurs. L'angle de déviation
prédit par Einstein fut confirmé, bien qu'avec une
précision médiocre puisque l'inexactitude était de 20
à 30 %. Néanmoins, ce résultat excluait le résultat
classique, confortait la nouvelle théorie d'Einstein, et confirmait
d'une manière indiscutable le concept suivant lequel la lumière
subit une déviation dans un champ gravitationnel.
Figure A. - Dans la partie (a) du schéma, les courbures
induites par la masse centrale d'une étoile sont figurées sur un
espace à deux dimensions, censé représenter l'espace-temps
courbé à 4 dimensions. Les rayons provenant des deux
étoiles sont attirés vers le centre. L'observateur placé
en O attribue donc aux deux étoiles les positions indiquées sur
la partie (b), au lieu de les voir comme sur la partie (c). Le champ des
étoiles est donc dilaté par cet effet de lentille.
Concernant la piètre précision de
l'expérience d'Eddington, on rappellera que les observations ont
été reproduites lors d'éclipses ultérieures du
Soleil, et que les incertitudes ont été réduites à
moins de 1 %, grâce aux méthodes radio
interférométriques et à l'observation de sources
lointaines et ponctuelles (les quasars) en lieu et place des étoiles.
Il semble qu'Eddington fut le premier, en 1920, à proposer la formation
possible d'images multiples d'une étoile lointaine, par suite de l'effet
de lentille gravitationnelle dû à une autre étoile se
trouvant à l'avant-plan. Mais on note que dès 1919, Lodge avait
comparé un objet massif comme le Soleil à une lentille, tout en
remarquant que cette lentille ne possédait pas de réelle distance
focale (Ndlr: voir plus loin la simulation de lentilles gravitationnelles
à l'aide de lentilles optiques particulières).
En 1923, Frost, alors directeur du Yerkès Observatory, voulut lancer un
programme de recherches d'images multiples pour les étoiles de notre
galaxie, mais les observations ne furent jamais effectuées.
En 1924, Chwolson suggéra l'idée de la formation d'une image
annulaire, ceci dans le cas d'un alignement parfait entre l'observateur et deux
étoiles situées à des distances différentes.
La notion d'amplification de la quantité de lumière reçue
apparaît en 1933, quand Etherington démontre que le
phénomène de lentille gravitationnelle préserve
l'intensité spécifique (quantité de lumière par
unité de surface et d'angle solide) des ondes
électromagnétiques. Il est dès lors facile
d'établir que l'amplification de la source est tout juste égale
au rapport entre la surface de l'image observée, et celle que l'on
obtiendrait si le phénomène de lentille n'avait pas lieu,
autrement dit la surface du disque réel de l'étoile source. On
peut prendre comme exemple la surface de l'« anneau de Chwolson »,
laquelle peut être de loin supérieure à celle de
l'étoile vue en ligne directe.
Albert Einstein, en 1936, a redécouvert indépendamment des autres
chercheurs les caractéristiques principales des lentilles
gravitationnelles, notamment les doubles images que l'on pourrait obtenir si la
lumière d'une étoile était déviée par une
autre étoile. Il décrivit également le
phénomène de l'anneau, appelé depuis lors « anneau
d'Einstein » ... Mais l'inventeur de la Relativité
Générale demeura fort sceptique quant à la
possibilité d'observer le phénomène de lentille à
partir d'étoiles.
Sur base de notes manuscrites d'Einstein, on a pu récemment, en 1997,
constater que durant le printemps de 1912, soit trois ans avant d'achever sa
théorie de la gravitation, son auteur avait établi la
théorie complète de la formation d'images multiples, y compris le
phénomène d'amplification. Il semble donc qu'Einstein, en 1936,
avait complètement oublié ses travaux de pionnier sur le sujet,
réalisés 23 ans auparavant ...
C'est en 1937 que Franz Zwicky * a réalisé
qu'il y avait une très grande probabilité d'identifier un «
mirage » grâce aux lentilles gravitationnelles, c'est-à-dire
d'observer plusieurs images distinctes du même objet, visibles depuis le
sol. Il était question cette fois d'objets extragalactiques et non plus
d'étoiles de notre galaxie. Zwicky proposa même d'utiliser les
galaxies d'avant-plan comme des télescopes cosmiques naturels afin
d'observer des objets du ciel profond, qui autrement seraient trop faibles pour
être visibles. Il insista également sur la possibilité de
« peser » les galaxies distantes, grâce à une simple
application de la loi de déviation de la lumière, tout en
réalisant un test de la Relativité Générale.
Zwicky écrivait en 1937: « la probabilité que des
nébuleuses galactiques agissant comme des lentilles gravitationnelles
soient découvertes devient pratiquement une certitude ». Il
était d'ailleurs très surpris de noter 20 ans après, en
1957, qu'aucun effet n'avait encore été découvert
grâce au télescope de 200 pouces du Mont Palomar.
Figure B. Inflexion des rayons lumineux par la
gravitation. Un observateur voit les différentes images d'un quasar
lointain, suivant les directions des rayons lumineux qui lui parviennent, et
qui ont été déviés par une galaxie massive
interposée. Le rayon supérieur passe dans le vide à
l'extérieur de la galaxie; il est donc attiré par toute la masse
de celle-ci. Par contre les deux autres rayons traversent le disque galactique
et sont déviés seulement par la masse centrale.
Près d'un quart de siècle se passa avant que
l'intérêt pour la théorie des lentilles gravitationnelles
ne soit ravivé, à propos de d'effet lentille dû aux
galaxies ou aux étoiles, ou encore concernant les applications
cosmologiques possibles (cfr les travaux de S. Refsdal, docteur honoris causa
de notre université). Certaines des applications proposées
étaient particulièrement riches de promesses, à cause de
la découverte des quasars par M. Schmidt en 1963. Ces objets
extrêmement distants, très lumineux et d'aspect stellaire
baptisés aussi QSO (Quasi Stellar Objects) allaient sans doute, mieux
que des images de galaxies étendues et diffuses, permettre d'identifier
des images multiples d'un même objet.
La recherche théorique se poursuivit durant les années 70, bien
qu'à un rythme plus lent, et les prévisions toujours plus
précises n'incitaient pourtant pas les observateurs à
développer une recherche systématique de lentilles
gravitationnelles.
C'est finalement 42 ans après la prédiction de Zwicky que le
rêve de quelques astronomes devint réalité. C'est avec pas
mal de chance que Walsh, Carswell et Weymann découvrirent en 1979 le
premier exemple d'un quasar dont l'image est dédoublée par une
galaxie du champ, jouant le rôle de lentille gravitationnelle. L'objet,
appelé Q0957+561 A & B, consiste en deux images
séparées sur le ciel de 6 secondes d'arc. Plusieurs arguments
plaident en faveur de la double image d'un seul objet, à savoir:
- on note la similarité entre les spectres (les
« empreintes digitales »)
- les légères différences entre les
images optique et radio s'expliquent par un modèle simple
- on a pu observer la galaxie faisant office de lentille
- un délai temporel a été
mesuré entre les arrivées des deux rayons, en se basant sur les
variations de lumière de la source, et en tenant compte des
différents chemins parcourus. Ces mêmes observations ont conduit
à une première détermination indépendante de la
constante de Hubble (*km/sec/Mpc).
A partir de cette découverte de pionniers, tant les
observations que les travaux théoriques ont connu une croissance
remarquable. En 1983, le Colloque international de Liège fut la
première conférence dédiée officiellement à
la reconnaissance et à l'étude des mirages gravitationnels. A
cette époque encore, une majorité d'astrophysiciens ne
reconnaissaient pas la vraie nature de ces joyaux du ciel. En 1993, lors d'un
autre Colloque international de Liège, consacré également
aux mirages cosmiques, plus de 1000 articles étaient parus sur le sujet.
Le domaine des lentilles gravitationnelles constitue aujourd'hui une branche
nouvelle et indépendante de l'astronomie extragalactique. En
témoigne l'histogramme de la figure C qui rend compte de l'accroissement
des publications scientifiques au cours des 20 dernières années,
avec un total approchant les 3000 articles!
Figure C. Nombre d'articles publiés par année
à propos des lentilles gravitationnelles, avant et après la
découverte du quasar dédoublé Q0957+561 A & B
Plus de 50 images multiples de quasars sont aujourd'hui
reconnues comme telles; elles concernent une grande variété de
phénomènes allant des images multiples légèrement
amplifiées à d'immenses arcs lumineux (cf photo de couverture),
en passant par l'anneau d'Einstein, et sans oublier le phénomène
de micro-lentille applicable aux étoiles... Il ne fait aucun doute qu'un
le lien intime existe entre la courbure de l'espace-temps et le
phénomène de lentille gravitationnelle, et que ce lien est
présent à toutes les échelles et en tous les points de
l'univers. Grâce aux nouvelles technologies et aux missions spatiales
déjà programmées pour le siècle prochain, notre
compréhension physique du cosmos ne pourra que s'accroître sans
cesse.
(A suivre)
Texte traduit et adapté par André Lausberg, à partir
des références suivantes:
Gravitational lenses, par Sjur Refsdal et Jean Surdej, paru dans les Reports of
Progress in Physics, 56 (1994) pp117-186.
Gravitational Lensing par Jean Surdej et Jean-François Claeskens,
écrit pour le livre intitulé The Century of Space Science, sous
presse.
Rappelons également le site internet où l'on peut trouver des
compléments d'informations et de nombreuses images:
https://vela.astro.uliege.be/grav_lens/