modélisation de lentille gravitationnelle

Un traducteur n'apprend pas une langue dans un dictionnaire, mais au fil de conversations vivantes : il entend des bribes de phrases, le bruit de la rue, des accents différents. De ce chaos, il tire des règles qui ne figurent dans aucun livre.

L'image d'une galaxie lointaine prise depuis la Terre ressemble à une vue à travers un verre dépoli : l'atmosphère estompe les détails, et la structure interne reste cachée.

La lumière change de direction dans une lentille, tout le monde le sait. Les ondes gravitationnelles, en passant près d'un corps massif, voient aussi leur trajectoire se courber.

Quatre faibles traits sur l’image — tout ce que voit l’astronome. Ainsi, un sculpteur restaure la forme d’un verre invisible à partir de quatre ombres.

Deux cents millions d'étoiles. Dans le centre de la Galaxie, où le futur relevé du télescope Nancy Grace Roman se concentrera, environ 250 fois au cours de la mission, la lumière de l'une d'elles vacillera sous une caresse invisible.

Plongez votre regard dans le ciel nocturne : ce n'est pas un semis d'étoiles, mais un manuscrit à plusieurs couches. Sous l'encre brillante des étoiles et des galaxies transparaît un texte pâle, presque effacé.

En 1981, Alan Guth a proposé le scénario de l'inflation cosmologique — une expansion fulgurante de l'espace qui a étiré les fluctuations quantiques jusqu'à l'échelle de galaxies entières.

L'Univers est un gigantesque labyrinthe de miroirs déformants. La masse des galaxies et des amas dévie la lumière des quasars lointains, comme pour jouer avec notre perception du cosmos. Dans cette salle des miroirs se cache la clé du plus grand mystère : l'énergie noire, qui accélère l'expansion de l'espace.

Dans un champ de la taille d'un grain de sable tenu à bout de bras se cachent des centaines de galaxies, étirées en arcs par l'amas massif Abell S1063.

La lumière des galaxies lointaines met des milliards d'années à nous parvenir, mais en chemin, elle est déviée et courbée par la toile invisible de la matière noire. Cet effet, prédit par Einstein dans le cadre de la relativité générale, est appelé lentille gravitationnelle.

Les détecteurs de rayons X fonctionnent comme un nid d'abeilles : dans les alvéoles hexagonales, des particules scintillent de temps en temps. Les algorithmes classiques étirent ces alvéoles sur une grille carrée, ce qui fait apparaître de faux fantômes de polarisation.

Deux points sur la surface d'un ballon — voilà tous les repères dont on dispose quand on essaie de comprendre comment il se gonfle. C'est à peu près ainsi que les cosmologistes reconstruisent l'histoire de l'expansion de l'univers.

L'Univers parle deux langues fondamentales : la gravité et la lumière. En temps normal, elles ne se mélangent pas : les ondes gravitationnelles glissent à travers la matière sans laisser de trace, tandis que les photons dansent dans des labyrinthes de miroirs.

En 2019, le télescope Event Horizon a offert à l'humanité la première image de l'ombre d'un trou noir — un anneau de feu autour de l'abîme au centre de la galaxie M87.

Imaginez une rivière qui ne coule pas dans un lit ouvert mais à l'intérieur d'une éponge, avec un courant qui change d'un endroit à l'autre : c'est un peu le système glymphatique du cerveau. C'est un réseau de canaux minuscules autour des vaisseaux sanguins, dans lequel le liquide céphalo-rachidien s'infiltre en profondeur dans les tissus et emporte les déchets accumulés pendant la journée.

La lumière, en traversant un milieu trouble comme le lait ou un tissu vivant, se diffuse dans toutes les directions. Reconstruire où la lumière a été absorbée plus fortement, c'est comme deviner la forme d'un objet tombé à partir de la flaque qu'il a laissée sur le trottoir.

L'Univers est immense, et calculer comment les galaxies et la matière noire s'y répartissent n'est pas une mince affaire. En général, les scientifiques lancent des simulations informatiques qui « rejouent » l'évolution de régions entières de l'espace, de la taille de milliards d'années-lumière.

Si vous jetez une poignée de paillettes dans une rivière, certaines suivront le courant, d'autres tournoieront dans de petits remous. Les galaxies de l'Univers font de même : elles ne s'éloignent pas seulement à cause de l'expansion, elles tourbillonnent aussi dans des flux géants, comme des copeaux de bois dans des tourbillons invisibles.

Chercher un point lumineux unique dans un échantillon sombre, c'est un peu comme chercher une aiguille dans une botte de foin : le faisceau du microscope progresse ligne par ligne, gaspillant du temps et de la lumière. Les physiciens ont remplacé ce lent balayage par des motifs de lumière aléatoires.

Chaque galaxie flotte dans un nuage de gaz invisible, comme un fruit dans un sirop. Ce gaz est un reste du matériau de construction à partir duquel les étoiles se sont formées, et il est constamment alimenté par de nouvelles portions provenant de l'espace intergalactique. Le voir directement est presque impossible : il est trop ténu et trop froid.

L'analyse par fluorescence X classique fonctionne comme un recenseur méticuleux : pour connaître la composition d'un tableau, il parcourt chaque centimètre carré et note dans son registre s'il y a du plomb ou du cuivre. Pour une feuille plane, cela reste supportable, mais pour un objet en volume, c'est une épreuve.

Un quasar lointain apparaît comme quatre points lumineux disposés en croix. C'est ainsi que la gravité d'une galaxie située sur la ligne de visée le déforme : elle agit comme un verre irrégulier et multiplie l'image. Chaque point est le même objet, mais sa lumière emprunte des chemins différents.

Jusqu'ici, les astronomes calculaient la masse des galaxies comme s'il s'agissait de sphères parfaites. Or, une galaxie est une crêpe aplatie. Le nouveau modèle « Perdu et retrouvé » tient compte de la forme réelle : il additionne l'attraction de toutes les parties du disque, et pas seulement du renflement central.

La lumière d'une galaxie lointaine voyage vers nous pendant des milliards d'années, et en chemin, sa trajectoire est légèrement courbée — c'est ainsi que se manifeste la masse invisible appelée matière noire. Cette courbure étire ou compresse légèrement l'image de la galaxie, comme un reflet dans un verre irrégulier.

Les images de galaxies lointaines sont parsemées d'arcs et de taches incurvés : c'est la lumière qui a été déformée en chemin vers nous. Cet effet, prédit par Albert Einstein, agit comme un miroir déformant géant : un amas de galaxies massif déforme les images des sources en arrière-plan.

La lumière née au moment du Big Bang a voyagé vers nous pendant près de 14 milliards d'années. Mais en chemin, elle a traversé les champs gravitationnels des galaxies et des amas de matière noire, qui ont courbé ses rayons.

Le proton n'est pas une boule lisse, mais un écheveau de quarks et de gluons qui se déplacent sans cesse et échangent de l'énergie. Savoir comment l'énergie, la pression et le spin sont répartis à l'intérieur est impossible directement : les mesures ne donnent que des points rares et bruités.

Le champ magnétique terrestre ressemble à une rivière invisible qui serpente sous nos pieds. Les navigateurs et les géologues consultent les cartes de cette rivière, mais les instruments ne prennent des mesures qu'en des points isolés, laissant des zones blanches entre eux. Les combler, c'est un peu comme dessiner le lit d'une rivière à partir de quelques cailloux trouvés sur la berge.

L'amas de galaxies de la Balle est un lieu où deux énormes nuages de galaxies, de gaz et de matière invisible sont entrés en collision. Lorsque la lumière d'étoiles lointaines passe à proximité d'un tel amas, la gravité courbe son trajet, comme une lentille.

Un amas de galaxies, par son attraction, courbe l'espace-temps, agissant comme une lentille géante : elle focalise et amplifie la lumière d'objets lointains, comme l'avait prédit Einstein. De telles lentilles sont rares, mais elles permettent d'observer ce qui se cache aux confins du cosmos.

La lumière des galaxies lointaines, en traversant les amas de matière, se déforme — tout comme le fond d'une piscine se brise sous la ondulation de l'eau. Les astronomes mesurent ces infimes courbures de forme et obtiennent une carte de la « ondulation » gravitationnelle.

Des lunettes à verres plans montrent un monde symétrique : la montée et la descente, le chaud et le froid paraissent identiques. Pendant des décennies, les climatologues ont observé El Niño à travers de telles lunettes, les modèles inverses linéaires.