microlentille gravitationnelle

Un stroboscope dans une salle obscure saisit des ombres fugitives que l'œil ne perçoit pas. Un trou noir primordial de la taille d'un virus, passant devant une étoile lointaine, amplifie sa lumière pendant quelques secondes, comme une loupe braquée sur une ampoule.

Un rayon de lumière passant près d'un corps massif le contourne, comme un coureur contourne le virage d'un stade. Pour une étoile à neutrons, cet angle de déviation est généralement considéré comme identique à celui d'une masse ponctuelle.

Dans les confins obscurs de notre Galaxie, loin des amas d'étoiles brillants, se cachent des millions de trous noirs. Ils sont invisibles : ils n'émettent pas de lumière et n'absorbent pas de matière de manière notable. Les méthodes de détection classiques, conçues pour les champs stellaires denses, sont impuissantes ici. Il faut une autre approche.

Au centre de notre Galaxie se trouve le trou noir supermassif Sagittarius A*. Si un compagnon invisible tourne à ses côtés, leur danse peut être repérée grâce à la lumière d'autres étoiles.

Le 23 novembre 2023, les détecteurs LIGO ont capté quelque chose d'étrange. Le signal d'ondes gravitationnelles d'une fusion de deux trous noirs, numéroté GW231123, indiquait des masses records – 137 et 101 masses solaires – et une rotation anormalement rapide.

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.

Huit points brillants dans le ciel radio. C'est le même quasar HS 0810+2554, dont la lumière a traversé une lentille gravitationnelle — une galaxie massive au premier plan.

Lorsqu'une planète lointaine passe devant son étoile, elle masque brièvement une partie de la lumière. Les astronomes appellent cela la méthode du transit et, grâce à la profondeur de la baisse de luminosité, ils en déduisent la taille de la planète. Mais la lumière a une propriété : un corps massif agit comme une lentille.

Deux étoiles à neutrons se rapprochent en spirale et entrent en collision. Naissent une onde gravitationnelle — une ondulation de l'espace-temps, un bref sursaut gamma et une lueur faible que les astronomes appellent kilonova.

Dans l'Univers jeune, il y a environ dix milliards d'années, les galaxies ressemblaient à d'immenses champs après l'orage : partout, bouillonnantes, surgissaient d'énormes amas — de mille années-lumière — de formation stellaire, où de jeunes étoiles naissaient avec une énergie débridée.

Le modèle standard de la cosmologie, qui s'appuie sur les équations d'Einstein proposées par Albert Einstein, décrit l'Univers comme un cocktail de matière noire (découverte grâce à Vera Rubin) et d'énergie noire dans…

La lumière d'une étoile lointaine n'est pas un phare parfait. En traversant le champ gravitationnel d'une autre étoile, elle se courbe, se divise et s'amplifie, créant un anneau d'Einstein éphémère dans le ciel.

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.

Un rayon cosmique s'approche d'un trou noir presque tangentiellement. Il ne tombe pas immédiatement, mais reste sur une orbite instable, tel un acrobate en équilibre sur un fil au-dessus d'un gouffre. Après avoir effectué plusieurs tours, la lumière finit par s'échapper vers un observateur lointain.

La lumière d'une étoile lointaine s'intensifie un instant lorsqu'un objet massif invisible passe entre elle et le télescope. Ce phénomène — le microlentillage gravitationnel — agit comme un télescope naturel. Habituellement, une lentille de ce type est un trou noir qui déforme l'espace-temps autour de lui.

L'amas géant de galaxies Abell S1063, situé à 4 milliards d'années-lumière, agit non seulement comme une lentille, mais comme un puits gravitationnel temporel.

Un mobile pour bébé : les figurines suspendues à des fils réagissent au moindre souffle d'air. De la même manière, les planètes sur des orbites très larges ne sont maintenues que par la gravité de leur étoile, et ressentent les moindres « courants d'air » gravitationnels.

Un projecteur éclaire une salle obscure. Entre la lampe et le mur, une lentille invisible passe — et la tache de lumière devient un instant plus brillante, se déplace légèrement.

Le faisceau d'une lampe de poche glisse sur un verre irrégulier. Le verre, ce sont les amas massifs de galaxies, et la lampe de poche, c'est la lumière ancienne née peu après le Big Bang. En passant près de ces amas, la lumière ne se contente pas de les contourner comme l'eau contourne une pierre.

Photographier les abords d'un trou noir rappelle la photo d'un jet d'eau : une pose courte fige les gouttes, une pose longue les transforme en traînées floues. La lumière du gaz incandescent qui tourbillonne près du trou nous parvient par des chemins différents.

La lumière d'une planète lointaine, décomposée en couleurs, fait soudain un bond à la frontière entre le rouge et l'infrarouge invisible — comme si quelqu'un avait actionné un interrupteur.

Un manège de lumière ne fait pas tourner des gens, mais des électrons. Au lieu de chevaux de bois, ce sont des pales invisibles de lumière. C'est exactement ce « manège » que des physiciens ont construit pour donner une rotation aux électrons. Habituellement, pour transformer un flux d'électrons en tourbillon, il faut un minuscule masque — un pochoir avec des fentes, gravé à l'échelle atomique.

Un immense nuage de gaz sombre s'étendait à travers l'univers jeune. À l'intérieur, comme des doigts invisibles, les lignes de champ magnétique issues de la naissance même du monde le traversaient. Ces champs agissent sur les particules chargées, les poussant les unes vers les autres — comme une brise légère qui rassemble les feuilles mortes en tas.

Imaginez une pièce minuscule cachée dans un coffre-fort parfait, mais dont les parois sont si fines que la pièce passe parfois à travers, laissant un son à peine perceptible. Les axions sont comme ces pièces, sauf qu'au lieu du métal, ce sont des particules, et au lieu du coffre, c'est la matière ordinaire.

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.

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.

Une galaxie lointaine, semblable à notre Voie lactée, souffle du gaz dans l'espace comme un sèche-cheveux chasse la poussière d'une table. Sept rayons de lumière provenant d'un objet encore plus distant ont traversé ce nuage de gaz, et les astronomes ont constaté que le flux de gaz est étroit, comme un jet d'eau, et non large comme un éventail.

La lumière provenant de galaxies lointaines traverse des amas de matière, et la gravité de ces amas courbe légèrement son trajet, comme une lentille. En mesurant à quel point les images des galaxies lointaines sont déformées, on peut déduire la distribution de la matière et la manière dont la gravité agit sur la lumière.

Lorsque la lumière frappe une plaque transparente, une partie se réfléchit à sa surface. Pour les astronomes, c'est une perte de précieux photons provenant d'étoiles lointaines.

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 fusion de deux étoiles à neutrons, c'est comme un coup de gong : un frémissement de l'espace se propage à travers l'Univers, une onde gravitationnelle. Les détecteurs sur Terre captent ce frémissement et, grâce à son intensité, calculent la distance de la source.

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.

La planète solitaire KMT-2024-BLG-0816, l'une des nombreuses planètes flottant librement, a été découverte lorsque son attraction a agi comme une loupe pendant quelques heures. En passant devant une étoile lointaine, le corps invisible a courbé l'espace comme une boule de verre, amplifiant la lumière de l'arrière-plan.

Des scientifiques ont décrit un nouveau type d'étoile invisible qui se comporte comme une lentille respirante. Cette étoile est composée de bosons ultralégers (des particules pas encore découvertes). Son attraction provoque la courbure de l'espace-temps — c'est cela la lentille, qui se dilate et se contracte rythmiquement, comme si elle respirait.

La matière noire est la fondation invisible de l'Univers. Vera Rubin en a prouvé l'existence grâce au mouvement des étoiles, mais les particules n'ont toujours pas été attrapées.

Des astronomes ont découvert dans l'Univers un objet invisible pesant à peine un million de soleils — une broutille à l'échelle cosmique, cent fois plus léger que tout ce qu'on avait pu « peser » à de telles distances. L'objet lui-même n'émet aucune lumière, mais il s'est trahi en courbant la lumière d'une galaxie encore plus lointaine.