Comment fonctionne la lentille gravitationnelle : le télescope de l'univers

La lumière courbée par la gravité

Lorsque les astronomes ont besoin de voir des objets situés à des milliards d'années-lumière, ils reçoivent parfois l'aide de l'univers lui-même. La lentille gravitationnelle se produit lorsqu'un corps céleste massif (une galaxie, un amas de galaxies ou même une simple étoile) déforme le tissu de l'espace-temps si fortement que la lumière qui passe à proximité se courbe autour de lui, un peu comme la lumière se réfracte à travers une lentille en verre.

La théorie de la relativité générale d'Albert Einstein a prédit cet effet en 1915, et l'astronome Arthur Eddington l'a confirmé de manière célèbre lors d'une éclipse solaire en 1919 en mesurant la déviation de la lumière des étoiles autour du Soleil. Un siècle plus tard, la lentille gravitationnelle est devenue l'un des outils les plus puissants de l'astronomie, révélant des structures cachées, amplifiant des objets incroyablement faibles et cartographiant la matière qui n'émet aucune lumière.

Trois types de lentilles

Les astronomes classent la lentille gravitationnelle en trois régimes en fonction de la masse de la lentille et de la géométrie de l'alignement.

Lentille forte

Lorsque la masse au premier plan est énorme (généralement un amas de galaxies pesant des milliers de milliards de masses solaires) et que la source d'arrière-plan s'aligne étroitement derrière elle, des distorsions spectaculaires apparaissent. La lumière peut emprunter plusieurs chemins autour de la lentille, produisant des arcs, des images multiples ou des anneaux de lumière complets connus sous le nom d'anneaux d'Einstein. La lentille forte peut amplifier les objets lointains d'un facteur de dix à cent, transformant les amas de galaxies en télescopes naturels.

Lentille faible

La plupart des lignes de visée traversent des régions où la déviation gravitationnelle est subtile, trop faible pour être visible dans une seule galaxie. Mais en analysant statistiquement les légères distorsions de forme de milliers ou de millions de galaxies d'arrière-plan, les astronomes peuvent reconstituer la distribution de masse de la structure au premier plan. La lentille faible est la principale technique utilisée par les scientifiques pour cartographier la matière noire à travers de vastes volumes cosmiques.

Microlentille

Lorsque la lentille est une seule étoile ou planète, la déviation est trop faible pour être résolue en images distinctes. Au lieu de cela, la source d'arrière-plan s'illumine temporairement lorsque la lentille dérive à travers la ligne de visée. La microlentille s'est avérée particulièrement utile pour détecter les exoplanètes et sonder les objets compacts sombres dans le halo de la Voie lactée.

Pourquoi c'est important pour la matière noire

La matière noire représente environ 27 % de la masse-énergie totale de l'univers, mais elle n'émet ni n'absorbe de lumière. La lentille gravitationnelle est l'une des rares méthodes qui peuvent la détecter directement grâce à son influence gravitationnelle. Au début de 2026, des scientifiques utilisant les données du télescope spatial James Webb de la NASA ont publié l'une des cartes de matière noire à haute résolution les plus détaillées jamais produites, analysant les formes d'environ 800 000 galaxies d'arrière-plan pour révéler des amas et des filaments de matière invisible formant la toile cosmique, l'échafaudage sur lequel toute la structure visible de l'univers est construite.

La carte de Webb contenait environ dix fois plus de galaxies que les précédentes études au sol et deux fois plus que la carte pionnière de 2007 du télescope spatial Hubble de la même région, offrant une image beaucoup plus nette de la façon dont la matière noire est distribuée.

Une loupe cosmique naturelle

Au-delà de la matière noire, la lentille gravitationnelle permet aux astronomes d'étudier des objets qui seraient autrement invisibles. Les supernovae à lentille (explosions stellaires amplifiées par les galaxies au premier plan) offrent un moyen indépendant de mesurer le taux d'expansion de l'univers. Dans un cas récent, une supernova superluminueuse située à environ 10 milliards d'années-lumière est apparue environ 50 fois plus brillante grâce à deux galaxies au premier plan agissant comme des lentilles, produisant cinq images distinctes de la même explosion.

La lentille amplifie également la lumière des premières galaxies de l'univers, permettant à des télescopes comme Webb et Hubble de remonter à plus de 13 milliards d'années. Les amas de galaxies tels que Abell 2744 et MACS J0416 sont régulièrement utilisés comme loupes cosmiques pour détecter certaines des galaxies les plus faibles et les plus éloignées jamais observées.

Un outil indispensable

La lentille gravitationnelle se situe à l'intersection de la relativité générale, de la cosmologie et de l'astronomie observationnelle. Elle contraint la constante cosmologique, teste les théories de la gravité, révèle les exoplanètes et fournit un recensement impartial de la masse dans l'univers, visible et invisible. Alors que les études de nouvelle génération de l'Observatoire Vera C. Rubin et du télescope spatial Euclid seront mises en ligne, les mesures de lentille faible cartographieront la matière noire à travers des volumes d'espace sans précédent, ce qui pourrait permettre de résoudre les questions ouvertes sur la nature de l'énergie noire et le destin ultime du cosmos.