Quand la gravitation nous fait voir double

Prédit dès 1937 par Fritz Zwicky comme une conséquence de la théorie de la relativité générale, le phénomène de lentille ou de mirage gravitationnel a été effectivement observé pour la première fois en 1979 par les astronomes Dennis Walsh, Bob Carswell, and Ray Weyman sur des images obtenues  sur un télescope de 2.1 m de l'observatoire Kitt Peak. Il s'agissait de l'image d'un quasar nommé SBS 0957+561 dédoublée par l'effet gravitationnel d'une galaxie située en avant plan.

L'explication du phénomène fait intervenir la relativité générale, mais peut-être illustrée de manière simple ; 

Illustration du phénomène de lentille gravitationnelle - Source NASA

un objet très massif telle qu'une galaxie, courbe l'espace-temps. Les rayons lumineux provenant d'un objet situé en arrière-plan suivent cette courbure de telle façon qu'un observateur situé sur la ligne de visé verra une ou plusieurs images déformées et amplifiées de l'objet en question. La galaxie se comporte alors comme le ferait une lentille située sur le trajet des rayons lumineux.

Au-delà de l'aspect spectaculaire de cet effet qui illustre de façon flagrante et non ambiguë une conséquence de la relativité générale, il est possible de tirer profit des lentilles gravitationnelles pour étudier des objets invisibles autrement ou pour mesurer des paramètres cosmologiques.

Mirages gravitationnels observés par Hubble

Si on observe l'univers de manière suffisamment profonde, on se rend compte que les distorsions gravitationnelles sont omniprésentes, bien que parfois très peu marquées. Les images des galaxies lointaines sont distordues par de multiples déformations de l'espace-temps associées à la matière située en avant-plan. L'effet gravitationnel est qualifié de "faible", on parle alors de "weak lensing" ou de cisaillement gravitationnel. Une analyse statistique des déformations permet par exemple de dresser des cartes de la distribution de matière visible et invisible  dans les régions du ciel observées. Il s'agit d'un outil très puissant puisqu'il permet de cartographier la matière sombre sans la voir (évidemment !) et  sans avoir à faire d'hypothèse s sur sa nature.

L'effet de lentille gravitationnelle peut également être "fort", dans ce cas on observera un objet particulier (galaxie, quasar, etc…) amplifié, déformé et dédoublé. Ce type de phénomène est rare car il requière que l'observateur, la masse "défléchissante" et l'astre observé soit pratiquement alignés., de plus il se manifeste surtout pour des astres peu lumineux car très éloignés car cela maximise les chances qu'un objet massif se trouve au bon endroit.

Avec les grands relevés astronomiques et notamment avec le Large Synoptic Survey Telescope(LSST) qui imagera de nombreuse fois chaque région du ciel au cours de ses dix ans de service il deviendra possible d'observer des effets de lentilles gravitationnelles forts sur des astres dont la luminosité varie rapidement avec le temps, par exemples des quasars ou des supernovæ. Dans le cas des supernovæ, on pourra alors observer l'apparition des images multiples décalées dans le temps. En effet, les chemins optiques correspondants aux multiples images (mirages) sont différents et il peut s'écouler quelques mois, voire quelques années entre l'apparition de deux images successives. Comme illustré ci-dessous, on pourra alors disposer d'une sorte de film montrant les apparitions et les disparations des différentes images de la supernovæ. 

"Film" de l'apparition des images successives d'une supernovæ par effet de lentille gravitationnel fort - Simulation réalisée dans le cadre du projet LSST - Source : http://www.lsst.org/files/docs/aas/2006/Kirkby.pdf 

Pour des supernovæ de type 1A dont la courbe de luminosité et le spectre sont bien connus, il sera possible de déterminer très précisément le décalage temporel entre les différentes images qui est lié à la "constante" de Hubble. Inversement, si la constante de Hubble est connue via d'autres méthodes, l'effet de lentille gravitationnelle fort donne des indications précises sur la distribution de la matière (normale et noire) constituant l'objet déflecteur. En 10 ans d'opération on estime que LSST devrait observer une grosse centaine de ces mirages gravitationnels de supernovæ  de type 1A.