Gravitation - De l'Univers

Le Hubble Space Telescope a enregistré une image à travers un énorme amas de galaxies plus proche, situé à quelque quatre milliards d'années de lumière. La pesanteur de cet amas produit l'effet d'une "loupe" naturelle, courbant, concentrant et focalisant la lumière de la galaxie lointaine en donnant plusieurs images dont chacune est plus grande et plus brillante que si celle-ci était observée directement.

Cette rare combinaison des puissants miroirs du télescope Hubble et de ce "téléobjectif" naturel fournit aux astronomes des informations neuves sur la nature des galaxies lointaines. Si c'est une première pour le HST, ce phénomène dit de lentille gravitationnelle qui, pour l'observateur, donne des apparences doubles, triples, voire quadruples de certains objets très lointains comme les quasars (objets quasi stellaires très éloignés dans l'Univers, de dimension apparente faible mais émettant une luminosité considérable de l'ordre de celle qu'auraient 100 à 1.000 galaxies, les quasars seraient des noyaux de galaxies contenant un trou noir) et provoque ce qu'on appelle un mirage gravitationnel, est étudié depuis plusieurs années déjà au moyen des télescopes terrestres.

Cela dit, l'étude de la façon dont la lentille courbe la lumière permet également aux chercheurs d'en déduire la quantité et l'emplacement de la mystérieuse "matière obscure" qui, pense-t-on, constitue l'essentiel de la masse de l'amas.

Les astronomes estiment qu'au moins 90 % de l'Univers sont constitués de matière qui n'émet aucune radiation pouvant être détectée au moyen des instruments actuels. Même si la matière ne peut être observée directement, le phénomène de lentille gravitationnelle constitue un instrument puissant dans la recherche de la matière obscure.

"Les images prises au sol nous avaient déjà enseigné que cet amas de galaxies pouvait produire l'effet d'une lentille gravitationnelle", explique Richard Ellis, de l'Université de Durham (Angleterre). L'élément remarquable de ces nouvelles données réside dans le fait que nous pouvons étudier de façon détaillée les galaxies en arrière-plan en combinant le phénomène de lentille et l'excellente qualité d'image qu'autorise le HST. Cette combinaison particulière nous a permis de mesurer très précisément l'effet de courbure de la lentille et d'établir ainsi la répartition de la matière dans l'amas, que celui-ci émette ou non de la lumière."

Richard Ellis et les chercheurs qui lui sont associés, le Dr. Warrick Couch (Université des Nouvelles Galles du Sud, Australie), le Dr. Ray Sharples et Ian Smail (Université de Durham), ont fait cette découverte en observant l'amas dénommé AC114 au cours de l'une des premières expositions de longue durée au moyen de la caméra à grand champ du HST.

Deux expositions de six heures ont fait apparaître une paire surprenante d'objets faiblement lumineux à proximité du centre de l'amas. A chaque image est associée une structure à peine visible.

Ces structures présentent une symétrie en miroir parfaite, prévisible s'il s'agit de deux images de la même source passant par une lentille. Les images sont inhabituellement éloignées l'une de l'autre pour un système à lentille, ce qui donne à penser qu'AC114 a un noyau massif et dense.

"En dépit de leur important éloignement, le haut niveau de symétrie et les couleurs quasi identiques des objets témoignent avec une forte probabilité qu'il s'agit d'images de la même source, ce qui conforte l'hypothèse que nous avons découvert une lentille très massive", explique encore Richard Ellis.

"Nous pensons que nous observons une galaxie lointaine, très faiblement lumineuse, traversant une période énergétique de formation stellaire. Nous avons cru tout d'abord que nous avions une chance exceptionnelle de pouvoir observer un phénomène aussi spectaculare lors de la première exposition de longue durée faite avec Hubble, mais nous pensons d¢sormais que nous pourrons observer des images multiples, fortement grossies, du même ordre lorsque le véhicule spatial sera pointé sur le centre d'autres amas massifs".

Un zoom dans l'espace

Il est bon de se souvenir que c'est Albert Einstein qui a été le premier à observer que les champs gravitationnels infléchissent la lumière aussi bien que la matière. "Le champ gravitationnel d'un objet massif (...) comme un amas de galaxies (...) courbera les rayons lumineux de sources plus lointaines observées à proximité du centre de l'amas".

Ce phénomène a pour effet de déplacer leurs positions apparentes et de modifier en les grossissant leurs formes et leur éclat. Plus grande est la masse de l'amas, plus important sera son effet. Si l'amas est suffisamment dense, il peut donner plusieurs images d'un seul objet lointain.

Les systèmes à lentilles multiples donnent aux astronomes un puissant moyen d'étudier la forme du champ gravitationnel de la lentille. Richard Ellis et ses collègues ont mis au point des modèles numériques basés sur la théorie d'Einstein.

Partant de l'emplacement et des formes des deux premières images, nous explique l'ESA, ils peuvent prédire l'existe et l'emplacement d'images supplémentaires. La couleur singulièrement bleue et la morphologie peu commune de la source leur ont permis de découvrir une troisième image plus pâle. Cette observation et celle d'éventuelles images supplémentaires ayant des positions similaires permettront au groupe d'affiner son modèle de lentille. Son objectif est de le rendre suffisamment précis afin d'établir les distances et les particularités de centaines de galaxies très faiblement lumineuses observ¢es à travers l'amas.

Ces objets ne sont pas, et de loin, suffisamment lumineux pour pouvoir leur appliquer les techniques traditionnelles de télémétrie, mais ils promettent de révéler la nature des tout premiers temps de l'Univers. "Exactement comme en optique solaire, explique Richard Ellis, lorsque vous connaissez les propriétés de base d'une lentille, vous pouvez étudier les images qu'elle produit et en déduire la distance des sources".

La quête de la matière obscure

Il est bon de savoir que même si l'on ne peut voir la matière obscure, son existence a pu être déduite grâce à son influance gravitationnelle sur les mouvements de galaxies en amas. Les amas comme AC114 ne sont pas seulement des outils d'observation très précieux des galaxies situées aux limites de l'Univers, leurs caractéristiques en tant que lentille montrent égalemnt combien de matière obscure ils contiennent.

Le plus important réside dans le fait que cette quantité peut être mesurée directement par l'effet de lentille gravitationnelle. Le modèle de Richard Ellis pour AC114 constitue une nouvelle mesure importante de la quantité de matière obscure, mesure qui concorde avec les estimations antérieures fondées sur les mouvements des galaxies qui le composent.

Il est vrai que l'on peut également penser que la matière obscure est plus concentrée au centre de l'amas que les galaxies prises individuellement. Cette observation est alors en contradiction avec les prévisions des modèles selon lesquels la matière obscure est constituée de particules subatomiques sans interaction entre elles.

Le groupe de chercheurs projette d'élargir ses travaux à d'autres amas situés à des distances différentes, ce qui leur permettra de sonder l'Univers à des moments différents du passé lointain (en raison de l'effet de la durée de parcours de la lumière; on connaît l'expression célèbre de l'astrophysicien Hubert Reeves : "Plus on voit loin, plus on voit tôt" dans l'évolution de l'Univers). De telles observations leur permettront de suivre l'évolution de la matière obscure et de la matière visible de façon indépendante.

"Nous nous proposons de tirer parti de la qualité exceptionnelle des images du HST pour rechercher des systèmes de lentilles similaires dans d'autres amas richement fournis", conclut Richard Ellis. Par ce moyen, nous serons en mesure d'observer directement les modifications de structure des amas au cours de leur évolution et de leur croissance dans l'Univers".

Une équipe liégeoise

C'est pour nous l'occasion de rappeler que l'Institut d'Astrophysique et de Géophysique de l'Université de Liège comporte un Laboratoire d'Astrophysique Extragalactique qui, sous la conduite de Jean Surdej, s'est spécialisé dans l'étude des lentilles gravitationnelles.

On peut rappeler que son 24e Colloque international d'Astrophysique, des 21 au 24 juin 1983, était consacré aux "Quasars et lentilles gravitationnelles". On doit également à cette équipe liégeoise (Jean Surdej, Pierre Magain, Marc Remy et Jean-Pierre Swings) deux premières :
- la découverte de la première lentille gravitationnelle "européenne" dans la constellation australe de la Baleine, découverte annoncée officiellement le 19 octobre 1987 ("La Wallonie" du 13/11/1987);
- la découverte, en 1988, d'un mirage gravitationnel quadruple, appelé "Trèfle à quatre feuilles", toujours dans le cadre de recherches effectuées à l'Observatoire de l'ESO (Organisation Européenne pour des Recherches Astronomiques dans l'Hémisphère Austral) sur le site de La Silla, au Chili. ("La Wallonie" du 2/8/1988).

L'Institut d'Astrophysique de Liège consacrera son prochain colloque international, début de l'été 1993, une nouvelle fois, aux lentilles gravitationnelles.

Pierre Bastin