Qu’est-ce que la détection gravitationnelle ?
Lorsqu’elle est poussée à l’extrême, la gravité peut créer des effets visuels intrigants que le Hubble est bien adapté pour observer. La théorie générale de la relativité d’Einstein décrit comment les concentrations de masse déforment l’espace qui les entoure. Une lentille gravitationnelle peut se produire lorsqu’une énorme quantité de matière, comme un amas de galaxies, crée un champ gravitationnel qui déforme et amplifie la lumière des galaxies distantes qui se trouvent derrière elle mais dans la même ligne de visée. Cet effet revient à regarder à travers une loupe géante. Il permet aux chercheurs d’étudier les détails des premières galaxies trop éloignées pour être vues avec la technologie et les télescopes actuels.
Des objets plus petits, comme des étoiles individuelles, peuvent également agir comme des lentilles gravitationnelles lorsqu’ils passent devant des étoiles plus lointaines. Pendant quelques jours ou semaines, la lumière de l’étoile la plus éloignée apparaît temporairement plus brillante car elle est amplifiée par la gravité de l’objet le plus proche. Cet effet est connu sous le nom de microlentille gravitationnelle.
Le type le plus simple de lentille gravitationnelle se produit lorsqu’il y a une seule concentration de matière au centre, comme le noyau dense d’une galaxie. La lumière d’une galaxie lointaine est redirigée autour de ce noyau, produisant souvent des images multiples de la galaxie de fond. Lorsque l’effet de lentille s’approche de la symétrie parfaite, un cercle complet ou presque complet de lumière est produit, appelé anneau d’Einstein. Les observations de Hubble ont permis d’augmenter considérablement le nombre d’anneaux d’Einstein connus des astronomes.
Une lentille gravitationnelle plus complexe apparaît dans les observations d’amas massifs de galaxies. Alors que la distribution de la matière dans un amas de galaxies a généralement un centre, elle n’est jamais symétrique circulairement et peut être significativement grumeleuse. Les galaxies d’arrière-plan sont lissées par l’amas et leurs images apparaissent souvent comme de courts et minces « arcs lissés » autour de la périphérie de l’amas.
Ces images lensées agissent également comme des sondes de la distribution de la matière dans l’amas de galaxies. Les résultats indiquent que la plupart de la matière dans un amas de galaxies ne se trouve pas dans les galaxies visibles ou dans le gaz chaud qui les entoure et n’émet pas de lumière, elle est donc appelée matière noire. La distribution des images de lentilles reflète la distribution de toute la matière, qu’elle soit visible ou sombre. Les images de Hubble de la lentille gravitationnelle ont été utilisées pour créer des cartes de la matière noire dans les amas de galaxies.
En retour, une carte de la matière dans un amas de galaxies permet de mieux comprendre et analyser les images de la lentille gravitationnelle. Un modèle de distribution de la matière peut aider à identifier les images multiples d’une même galaxie ou à prédire où les galaxies les plus éloignées sont susceptibles d’apparaître dans une image d’amas de galaxies. Les astronomes travaillent entre les lentilles gravitationnelles et la distribution de matière des amas pour améliorer notre compréhension des deux.
Parce que les galaxies très lointaines sont très faibles, les lentilles gravitationnelles étendent la vue de Hubble plus profondément dans l’univers. La lentille gravitationnelle ne déforme pas seulement l’image d’une galaxie d’arrière-plan, elle peut amplifier sa lumière. En regardant à travers un amas de galaxies, Hubble peut voir des galaxies moins lumineuses et plus éloignées qu’il ne le pourrait autrement. C’est comme si l’on disposait d’une lentille supplémentaire de la taille de l’amas de galaxies. Le projet Frontier Fields a examiné de multiples amas de galaxies, mesuré leur lentille et la distribution de la matière et identifié une collection de ces galaxies les plus lointaines.
Les diverses images de lentille de croix, d’anneaux, d’arcs et autres sont à la fois intrigantes et instructives. La lentille gravitationnelle sonde la distribution de la matière dans les galaxies et les amas de galaxies, et permet d’observer l’univers lointain. Les données de Hubble serviront également de base et de guide au télescope spatial James Webb, dont les observations infrarouges pousseront encore plus loin dans le cosmos.
