Des mirages, il y en a aussi dans le ciel

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Des mirages, il y en a aussi dans le ciel!

Le 29 mars 1979 était observé pour la première fois dans le ciel un «mirage gravitationnel». Cette découverte, purement fortuite par ailleurs, révélait aux astronomes du monde entier l'un des phénomènes les plus étonnants auxquels ils puissent assister: une véritable illusion d'optique à l'échelle de l'univers! Les deux sources lumineuses très proches observées dans la direction de la source radio 0957+561, et qui ressemblent en tous points à un système de deux quasars distincts, constituent en réalité deux images d'un seul et même astre lointain. Cette observation extrêmement importante allait donner naissance à une nouvelle branche de l'astronomie uniquement consacrée à ces phénomènes spectaculaires.

Qui n'a jamais entendu parler de ces curieux phénomènes naturels que sont les mirages. Provoqués par une configuration particulière des couches d'air au-dessus du sol, ils peuvent par exemple se manifester par l'illusion d'une nappe d'eau s'étendant à l'horizon, sur laquelle se refléteraient les objets éloignés. Par analogie avec ces mirages atmosphériques ordinaires, on a décidé d'appeler «mirages gravitationnels» certains phénomènes d'illusion optique observables à l'échelle cosmique, et donnant lieu par exemple à la multiplication d'images d'un astre lointain unique. Dans ce cas, l'origine du phénomène réside dans la disposition particulière de plusieurs corps dans l'espace. Bien que cet effet ait été prédit dès 1919 par l'astronome britannique Sir Arthur Eddington, ce n'est qu'après soixante années de recherches infructueuses que le premier mirage gravitationnel fut finalement observé. L'histoire de la compréhension de ces phénomènes est en fait intimement liée à celle des théories de la lumière et de la gravitation.

Une éclipse révélatrice

En 1704 déjà, Isaak Newton suggérait que la lumière était formée de particules, appelées photons par la suite. Selon lui, celles-ci étaient pourvues d'une masse et devaient donc être déviées tout comme des particules matérielles au voisinage d'un corps massif, en vertu de la loi de l'attraction universelle qu'il avait énoncée en 1687. Cependant, il ne semblait y avoir à l'époque aucune façon de vérifier la déviation de la lumière par la gravitation, et cette hypothèse resta oubliée pendant la majeure partie des XVIIIe et XIXe siècles. Il faut attendre 1915 pour qu'Albert Einstein présente une théorie radicalement nouvelle de la gravitation, la relativité générale. Cette théorie attribue une masse nulle au photon, mais prévoit que leur trajectoire est déviée par la présence d'un corps massif. En particulier, l'angle de déviation d'un rayon lumineux frôlant la surface du Soleil, le corps de plus grande masse disponible dans notre voisinage, est estimé par cette théorie à environ deux secondes d'arc, soit à peu près l'angle infime sous lequel apparaîtrait une pièce d'un franc vue à une distance de deux kilomètres! Eddington parvient cependant à mesurer cet angle de déviation minime lors de l'éclipse solaire de 1919, en observant un léger déplacement apparent de la position d'étoiles situées à proximité du bord de Soleil et rendues visibles grâce à l'occultation du disque solaire par la lune au cours de cette éclipse. D'un coup, il confirme ainsi la déviation de la lumière par le Soleil et établit la supériorité des prédictions de la théorie de la gravitation d'Einstein sur celles de la loi d'attraction de Newton. Cette observation d'une grande importance permet en fait à Eddington de prédire l'existence d'une véritable «optique gravitationnelle» liée à la déviation de la lumière par la gravitation, analogue à l'optique classique dans laquelle les rayons lumineux sont déviés par leur passage dans une lentille.

Lorsque deux objets célestes se trouvant à des distances très différentes de la Terre sont presque situés sur une même ligne de visée, et donc quasi confondus sur le ciel, les rayons lumineux provenant de l'objet lointain sont déviés par le champ de gravitation de l'objet proche, qui joue ainsi le rôle de lentille déflectrice. Dès lors, un observateur peut, dans certaines circonstances, voir deux images distinctes du même astre éloigné, qui correspondent à deux faisceaux de lumière passant de part et d'autre du déflecteur. Il s'agit donc bien là d'une illusion d'optique dans le ciel!

La possibilité d'observer un mirage gravitationnel est entièrement conditionnée par l'angle séparant les deux images jumelles dans le ciel. Si celui-ci est inférieur à la résolution du télescope (c'est-à-dire à l'angle minimum en deçà duquel deux points lumineux distincts ne sont plus discernables), les images seront confondues et le mirage restera ignoré. On peut montrer que cette séparation angulaire entre les deux images est d'autant plus grande que la masse de l'objet déflecteur est importante, puisqu'une quantité supérieure de matière contribue à dévier la lumière. D'autre part, l'effet de mirage ne peut être observé que si le diamètre angulaire apparent du déflecteur (c'est-à-dire l'angle sous lequel il apparaît à l'observateur) est petit par rapport à l'écart angulaire entre les deux images, sans quoi l'effet de mirage serait masqué par la taille du déflecteur. Tout comme le suggéra Eddington, on pourrait ainsi espérer que deux au moins des nombreuses étoiles peuplant notre galaxie et situées à une distance suffisante (donc nous apparaissant avec un très petit diamètre) soient alignées de façon à donner naissance à un mirage.

En réalité, et même dans les situations les plus favorables, la séparation angulaire prédite par la relativité générale est trop faible pour donner des images discernables, même avec les instruments les plus puissants disponibles actuellement! Cette conclusion amena Einstein lui-même à douter fort que l'on observe jamais un tel phénomène, ce qui d'ailleurs ne l'empêcha pas de poursuivre l'étude théorique de la physique des mirages gravitationnels dans les années 30. Il fut entre autres établi que cette déviation gravifique de la lumière peut être à l'origine non seulement de la multiplication de l'image de certains objets lumineux lointains, mais également de leur déformation, amplification ou affaiblissement, ce qui justifie l'appellation de «lentilles gravitationnelles» parfois donnée au phénomène de mirage gravitationnel. Par la suite, l'astronome suisse Zwicky envisagea la possibilité de mirages causés non plus par des étoiles de notre galaxie, mais par des galaxies entières, dont les masses énormes (une galaxie contient en moyenne 100 milliards d'étoiles) pourraient produire une séparation supérieure à celle que provoque une étoile unique. La probabilité d'un alignement suffisant de deux galaxies semblait cependant dérisoire. Dès lors, on se désintéressa des mirages gravitationnels, qui restèrent oubliés jusque dans les années 60.

Les projecteurs

de l'univers

C'est la découverte du premier quasar (pour «quasi-stellar object» ou objet quasi-stellaire) en 1960 par les astronomes américains Matthews et Sandage qui relance la recherche des mirages gravitationnels. Ces quasars sont étonnants à plus d'un titre. Ils se situent à des distances énormes, presque aux confins de l'univers observable, et doivent donc, pour être observés de la Terre, émettre une extraordinaire quantité d'énergie lumineuse. De plus, les dimensions relativement faibles de ces objets leur donnent un aspect ponctuel qui, allié à leur très grande luminosité, en font de véritables projecteurs de l'espace, candidats idéaux pour la détection de mirages gravitationnels. Les recherches reprirent donc, mais il fallut attendre jusqu'en 1979 pour que soit enfin observé le premier mirage gravitationnel par les astronomes anglais Walsh, Carswell, et l'astronome américain Weymann. Ce mirage fut en fait découvert par hasard, au cours d'un programme d'observation dont le but était d'associer des objets émettant de la lumière visible à des sources de rayonnement en ondes radio. Dans la direction d'une source radio connue sous le nom peu poétique de 0957+561, ils constatèrent la présence non pas d'un seul, mais de deux quasars séparés de six secondes d'arc seulement, et dont les images étaient extraordinairement semblables. D'une part, le spectre (c'est-à-dire la distribution de l'intensité de chacune des couleurs composant la lumière) de ces quasars était presque identique. D'autre part, la vitesse d'éloignement de ces deux quasars, caractéristique commune à tous les objets célestes très éloignés de nous, était égale.

De vrais jumeaux

Ces deux quasars apparaissant donc comme des jumeaux en tous points identiques, il n'était pas exclu qu'il s'agisse bel et bien de deux images d'un quasar unique. Cette hypothèse d'un mirage gravitationnel se révéla correcte lorsque l'on découvrit l'objet déflecteur situé entre le quasar et nous: il s'agit d'une galaxie elliptique géante, appartenant à un amas de galaxies qui contribue en fait tout entier à la déflexion de la lumière provenant du quasar. De plus, le Very Large Array (réseau de radiotélescopes situé au Nouveau-Mexique) détecta également deux images voisines en ondes radio. Un mirage gravitationnel avait enfin été découvert, soixante ans après la prédiction de leur existence!

Depuis cette découvert de taille, la recherche des mirages gravitationnels mobilise de nombreux astronomes dans le monde entier. Ainsi, le nombre d'exemples connus de ce phénomène s'est accru rapidement au cours des dernières années, et environ une dizaine de mirages gravitationnels ont été répertoriés à ce jour. Dans cette course, la Belgique ne demeure pas en reste. En 1987, un groupe d'astronomes liégeois a participé, en collaboration avec d'autres astronomes européens, à la découverte d'un nouveau mirage gravitationnel. C'était la première détection d'un mirage au grand télescope de l'observatoire européen de l'hémisphère Sud (ESO) situé à La Silla (Chili). Par ailleurs, une nouvelle manifestation de ces mirages a été mise en évidence récemment par une équipe d'astronomes français qui ont observé, dans l'amas de galaxies A370, un immense arc lumineux dont la lumière semble provenir de beaucoup plus loin que l'amas. Il y aurait donc, cachée derrière A370, une source lointaine dont les rayons lumineux seraient déviés par cet amas avant de nous parvenir. Cet arc lumineux ne serait qu'un fragment de ce que l'on appelle un «anneau d'Einstein», dont la formation est prévue lorsque la source et le déflecteur sont parfaitement alignés. Un groupe d'astronomes américains aurait même découvert une autre structure de ce type dans le domaine des ondes radio cette fois.

Les masses cachées

de l'espace

Mis à part la curiosité que peuvent inspirer ces mirages gravitionnels, quelle peut être la raison de l'intérêt que leur portent les astronomes? Avant tout, cet effet nous renseigne directement sur la masse de la lentille déflectrice, galaxie ou amas de galaxies, quasiment impossible à mesurer autrement. Bien qu'aucune configuration assez favorable n'ait encore été découverte, ce phénomène devrait ainsi permettre d'estimer la quantité de matière non visible (dite «sombre») dans l'Univers. Diverses études semblent, en effet, indiquer que l'Univers devrait contenir nettement plus de matière que l'observation directe ne le laisse supposer. Puisque, dans le cas d'une lentille gravitationnelle, la lumière du quasar lointain est déviée par l'entièreté de la masse de l'objet déflecteur, une comparaison simple de la masse visible (lorsqu'elle peut être estimée) avec celle qui est déduite de l'effet de mirage devrait permettre une évaluation de la quantité de matière invisible. D'autre part, l'effet d'amplification gravitionnelle de la lumière causé par ces lentilles facilite également l'observation d'objets très éloignés, qui nous auraient peut-être échappé sans cet «effet loupe». enfin, l'observation des mirages gravitationnels permet de réévaluer les distances dans l'Univers. En effet, la présence d'une lentille déflectrice permet d'observer un quasar lointain dont la lumière a suivi plusieurs chemins différents à travers l'Univers avant de nous arriver. Si la luminosité du quasar varie au cours du temps, la variation de brillance sera détectée en premier lieu dans l'image correspondant au trajet le plus court des rayons lumineux entre le quasar et nous. La mesure du délai temporel entre les variations de brillance des différentes images devrait permettre d'évaluer la distance du quasar dont on observe plusieurs images. Une véritable «triangulation» à l'échelle cosmologique serait ainsi possible. La connaissance simultanée de la distance du quasar et de sa vitesse d'éloignement devrait permettre aussi une détermination plus précise de la constante de Hubble, caractéristique de l'expansion de l'univers. Cette constante, mise en évidence par l'astronome américain Hubble en 1924, revêt une importance majeure en astronomie puisque toutes les estimations de distances et de temps à très grande échelle en dépendent. L'évaluation de l'âge de l'univers, par exemple, est directement liée à cette constante. On comprend donc l'engouement suscité- par ces phénomènes extraordinaires!-

Dans la recherche de nouveaux mirages, on attend beaucoup des progrès des techniques d'observation au cours des années à venir. Mais, dès à présent, les astronomes fondent tous leurs espoirs sur le dernier-né des télescopes- européens, le NTT (New Technology Telescope), mis en service très récemment par l'ESO. Cet instrument bénéficie d'un pouvoir de résolution accrue grâce à l'utilisation d'un système optique révolutionnaire, et devrait ainsi permettre la détection de nouveaux mirages invisibles jusqu'ici. D'autre part, l'ESO a également entrepris la construction d'un nouveau téle-scope, le VLT (Very Large Tele-scope), à laquelle la Belgique a récemment décidé de participer. Ce télescope du futur, qui sera le plus grand du monde, placera les astronomes européens réellement en tête de la chasse au mirage gravitationnel.

NICOLAS CERF.

(Institut d'astronomie, d'astrophysique et de géophysique, ULB.)

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