La plupart des gens connaissent les outils de l'astronomie: télescopes, instruments spécialisés et bases de données. Les astronomes les utilisent, ainsi que certaines techniques spéciales pour observer des objets éloignés. L'une de ces techniques est appelée «lentille gravitationnelle».
Cette méthode repose simplement sur le comportement particulier de la lumière lorsqu'elle passe à proximité d'objets massifs. La gravité de ces régions, contenant généralement des galaxies géantes ou des amas de galaxies, magnifie la lumière d'étoiles, de galaxies et de quasars très éloignés. Les observations à l'aide de lentilles gravitationnelles aident les astronomes à explorer des objets qui existaient aux toutes premières époques de l'univers. Ils révèlent également l'existence de planètes autour d'étoiles lointaines. D'une manière étrange, ils dévoilent également la distribution des matière noire qui imprègne l'univers.
Le concept derrière la lentille gravitationnelle est simple: tout dans l'univers a une masse
et cette masse a une attraction gravitationnelle. Si un objet est suffisamment massif, sa forte attraction gravitationnelle courbera la lumière lors de son passage. Un champ gravitationnel d'un objet très massif, comme une planète, une étoile ou une galaxie, ou un amas de galaxies, ou même un trou noir, tire plus fortement sur les objets dans l'espace proche. Par exemple, lorsque les rayons lumineux d'un objet plus éloigné passent, ils sont pris dans le champ gravitationnel, courbés et recentrés. L '"image" recentrée est généralement une vue déformée des objets les plus éloignés. Dans certains cas extrêmes, des galaxies de fond entières (par exemple) peuvent finir par être déformées en de longues formes maigres ressemblant à des bananes via l'action de la lentille gravitationnelle.L'idée de la lentille gravitationnelle a d'abord été suggérée dans Théorie de la relativité générale d'Einstein. Vers 1912, Einstein lui-même a dérivé le calcul de la manière dont la lumière est déviée lorsqu'elle passe à travers le champ gravitationnel du Soleil. Son idée a ensuite été testée lors d'une éclipse totale de Soleil en mai 1919 par des astronomes Arthur Eddington, Frank Dyson et une équipe d'observateurs stationnés dans des villes d'Amérique du Sud et Brésil. Leurs observations ont prouvé qu'il existait une lentille gravitationnelle. Bien que la lentille gravitationnelle ait existé à travers l'histoire, il est assez sûr de dire qu'elle a été découverte pour la première fois au début des années 1900. Aujourd'hui, il est utilisé pour étudier de nombreux phénomènes et objets dans l'univers lointain. Les étoiles et les planètes peuvent provoquer des effets de lentilles gravitationnelles, bien que ceux-ci soient difficiles à détecter. Les champs gravitationnels des galaxies et des amas de galaxies peuvent produire des effets de lentille plus visibles. Et, il s'avère maintenant que la matière noire (qui a un effet gravitationnel) provoque également des lentilles.
Maintenant que les astronomes peuvent observer la lentille à travers l'univers, ils ont divisé ces phénomènes en deux types: fort lentille et lentille faible. La lentille forte est assez facile à comprendre - si elle peut être vue avec l'œil humain dans une image (dire, de Le télescope spatial Hubble), alors c'est fort. En revanche, une lentille faible n'est pas détectable à l'œil nu. Les astronomes doivent utiliser des techniques spéciales pour observer et analyser le processus.
En raison de l'existence de matière noire, toutes les galaxies lointaines ont un tout petit peu de lentilles faibles. La lentille faible est utilisée pour détecter la quantité de matière noire dans une direction donnée de l'espace. C'est un outil incroyablement utile pour les astronomes, les aidant à comprendre la distribution de la matière noire dans le cosmos. La lentille forte leur permet également de voir des galaxies lointaines telles qu'elles étaient dans un passé lointain, ce qui leur donne une bonne idée de ce qu'étaient les conditions d'il y a des milliards d'années. Il grossit également la lumière des objets très éloignés, tels que les premières galaxies, et donne souvent aux astronomes une idée de l'activité des galaxies dans leur jeunesse.
Un autre type de lentille appelé "microlentille" est généralement causé par une étoile passant devant une autre ou contre un objet plus éloigné. La forme de l'objet ne peut pas être déformée, comme c'est le cas avec une lentille plus forte, mais l'intensité de la lumière vacille. Cela indique aux astronomes que la microlentille était probablement impliquée. Fait intéressant, les planètes peuvent également être impliquées dans la microlentille lorsqu'elles passent entre nous et leurs étoiles.
La lentille gravitationnelle se produit à toutes les longueurs d'onde de la lumière, de la radio et de l'infrarouge au visible et aux ultraviolets, ce qui est logique, car ils font tous partie du spectre du rayonnement électromagnétique qui baigne le univers.
La première lentille gravitationnelle (autre que l'expérience de lentille à éclipse de 1919) a été découverte en 1979 lorsque les astronomes ont regardé quelque chose surnommé le "Twin QSO" .QSO est l'abréviation de "objet quasi-stellaire" ou quasar. À l'origine, ces astronomes pensaient que cet objet pourrait être une paire de jumeaux quasars. Après des observations minutieuses à l'aide de l'Observatoire national de Kitt Peak en Arizona, les astronomes ont pu comprendre qu'il n'y avait pas deux quasars identiques (éloignés galaxies très actives) proches les uns des autres dans l'espace. Au lieu de cela, il s'agissait en fait de deux images d'un quasar plus éloigné qui ont été produites lorsque la lumière du quasar passait près d'une gravité très massive le long du trajet de la lumière. Cette observation a été faite en lumière optique (lumière visible) et a ensuite été confirmée par des observations radio utilisant le Très grand réseau au Nouveau-Mexique.
Depuis ce temps, de nombreux objets à lentilles gravitationnelles ont été découverts. Les plus célèbres sont les anneaux d'Einstein, qui sont des objets à lentilles dont la lumière fait un "anneau" autour de l'objet à lentilles. À l'occasion fortuite où la source éloignée, l'objet cristallin et les télescopes sur Terre s'alignent tous, les astronomes peuvent voir un anneau de lumière. Ceux-ci sont appelés «anneaux d'Einstein», nommés, bien sûr, pour le scientifique dont les travaux ont prédit le phénomène de lentille gravitationnelle.
Un autre objet à lentilles célèbre est un quasar appelé Q2237 + 030, ou la croix d'Einstein. Lorsque la lumière d'un quasar à environ 8 milliards d'années-lumière de la Terre a traversé une galaxie de forme oblongue, elle a créé cette forme étrange. Quatre images du quasar sont apparues (une cinquième image au centre n'est pas visible à l'œil nu), créant un diamant ou une forme de croix. La galaxie lenticulaire est beaucoup plus proche de la Terre que le quasar, à une distance d'environ 400 millions d'années-lumière. Cet objet a été observé à plusieurs reprises par le Le télescope spatial Hubble.
Sur une échelle de distance cosmique, Le télescope spatial Hubble capture régulièrement d'autres images de lentilles gravitationnelles. Dans beaucoup de ses vues, les galaxies lointaines sont enduites d'arcs. Les astronomes utilisent ces formes pour déterminer la distribution de la masse dans les amas de galaxies faisant le lentillage ou pour comprendre leur distribution de matière noire. Bien que ces galaxies soient généralement trop faibles pour être facilement visibles, les lentilles gravitationnelles les rendent visibles, transmettant des informations sur des milliards d'années-lumière pour que les astronomes puissent les étudier.
Les astronomes continuent d'étudier les effets de la lentille, en particulier lorsque des trous noirs sont impliqués. Leur gravité intense cristallise également la lumière, comme le montre cette simulation en utilisant une image HST du ciel pour le démontrer.