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Cosmologie

La cosmologie est une science très particulière, puisque son sujet d'étude est l'Univers dans son ensemble. On y navigue souvent aux frontières de la science, de la philosophie et de la métaphysique.

C'est la théorie de la Relativité Générale, établie par Einstein au début du 20e siècle, qui a permis d'aborder l'étude de l'Univers d'un point de vue plus scientifique. Moyennant un certain nombre d'hypothèses simplificatrices (par exemple qu'à très grande échelle, la matière et l'énergie peuvent être considérées comme réparties de manière homogène), on arrive à des équations relativement simples, les équations de Friedmann-Lemaître, qui prédisent que l'Univers est en expansion. Cette expansion a été confirmée dès la fin des années 1920, avec la découverte par Hubble que les galaxies s'éloignent les unes des autres avec une vitesse proportionnelle à leur distance.

L'Univers aurait dès lors pris naissance dans un état très condensé, et donc très chaud, que l'on a baptisé Big Bang. Ce modèle du Big Bang fut confirmé de manière éclatante en 1964 avec la découverte par Penzias et Wilson du rayonnement de fond cosmologique, qui est en quelque sorte une relique d'un état antérieur, où l'Univers était 1000 fois plus chaud qu'actuellement.

Cependant, pour expliquer les mouvements des étoiles dans les galaxies, et des galaxies elles-mêmes dans les amas, on a dû postuler l'existence d'une forme de matière inconnue, n'émettant pas de lumière et détectable uniquement par son effet gravitationnel, la fameuse « matière sombre ». Celle-ci serait 5 à 6 fois plus abondante que la matière ordinaire, constituée d'atomes et de molécules.

En outre, pour expliquer l'accélération de l'expansion de l'Univers, découverte à la fin des années 1990, on a postulé l'existence d'une forme nouvelle d'énergie ayant, contrairement à la gravitation, un effet répulsif : l'énergie sombre, qui serait la forme dominante d'énergie à l'échelle de l'Univers.

Le modèle cosmologique couramment admis prédit donc que 95% du contenu de l'Univers est constitué de « substances exotiques », inventées pour la cause et encore non identifiées à ce jour, malgré d'ambitieux programmes de recherche, à la fois théoriques et observationnels.

 

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La loi de Hubble Courbe de rotation d'une galaxie spirale, expliquée en introduisant un halo de matière sombre

 

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Contenu de l'Univers

 

Les mirages gravitationnels

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a théorie de la Relativité Générale prédit que les rayons lumineux sont déviés au voisinage d'objets massifs. Cette prédiction fut vérifiée pour la première fois lors de l'éclipse totale de 1919, qui permit d'observer une modification temporaire de la position apparente des étoiles proches du limbe solaire, sous l'action du champ gravifique du soleil.

Si la source lumineuse, le déflecteur massif et l'observateur sont suffisamment bien alignés, ce phénomène peut donner lieu à l'apparition d'images multiples de la source, produisant ce que l'on appelle un mirage gravitationnel. Le déflecteur est appelé lentille gravitationnelle.

 

Le phénomène de mirage gravitationnel

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Cependant, pour produire des images multiples dont la séparation est suffisamment grande pour pouvoir être observée à l'aide d'un télescope, la masse du déflecteur doit être très importante: par exemple une galaxie dans sa totalité.

La source lumineuse doit donc être située très loin, derrière une galaxie massive, et doit être suffisamment brillante pour pouvoir être visible à très grande distance.

Les quasars, qui sont les objets les plus lumineux de l'Univers, conviennent très bien comme sources de lumière. Le premier mirage gravitationnel fut découvert en 1979, lorsque des astronomes découvrirent que deux quasars apparemment distincts, mais séparés de seulement 6 secondes d'arc sur le ciel, présentaient le même spectre. Les observations montrèrent qu'ils n'étaient, en fait, que deux images d'un seul et unique quasar.

Depuis lors, quelques centaines de quasars à images multiples ont été découverts, plusieurs d'entre eux par l'équipe de Liège, comme le fameux "trèfle à quatre feuilles" (Magain et al. 1988, Nature 334, 325), pour lequel quatre images du même quasar très lumineux sont détectées.

 

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Le trèfle à quatre feuilles Arcs lumineux produits par l'amas Abell 2218

 

Les quasars ne sont cependant pas les seules sources lumineuses susceptibles de présenter le phénomène de mirage gravitationnel. Quand la source est étendue, son image est généralement déformée en arcs. De très spectaculaires arcs lumineux géants sont observés quand la lumière provenant de galaxies d'arrière plan est déviée par des amas de galaxies très concentrés.

Quand l'alignement entre la source, la lentille et l'observateur est presque parfait, l'image peut prendre la forme d'un anneau, appelé "anneau d'Einstein".

mirage004Anneau d'Einstein presque parfait par une galaxie elliptique

 

Lorsque la source lumineuse est variable, ce qui est le cas de la plupart des quasars, un suivi photométrique du mirage gravitationnel permet de déterminer le délai temporel entre les différentes images du même objet et de mesurer les distances de la source et de la lentille. Ceci permet d'obtenir les distances d'objets très éloignés sans passer par de multiples étapes, comme dans les méthodes traditionnelles basées sur des « chandelles standard » comme les Céphéides et les Supernovae. Les mirages gravitationnels fournissent ainsi une méthode alternative de détermination des paramètres cosmologiques comme la constante de Hubble, qui mesure le taux d'expansion de l'Univers. C'est dans ce but que la collaboration internationale COSMOGRAIL a été mise sur pied.

Alternativement, si la constante de Hubble est obtenue par d'autres méthodes, les mirages gravitationnels peuvent être utilisés pour mesurer la masse de la galaxie lentille, incluant la matière sombre. Les mirages gravitationnels sont donc un outil puissant pour sonder la matière sombre dans l'Univers et, en tout premier lieu, pour confirmer ou infirmer son existence. L'utilisation de cette méthode nous a conduits à remettre en cause l'existence de halos de matière sombre autour des galaxies lentilles. L'explication de ce résultat constitue un défi majeur pour la cosmologie moderne.

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