Les astronomes vivent dans un âge d'or de télescopes plus grands et meilleurs. Mais même notre technologie la plus avancée pâlit par rapport à la puissance des «lunettes d'agrandissement cosmiques» de la nature – des lentilles gravitationnelles étroites.
En moins de 50 ans, nous sommes passés de la toute première découverte d'une forte lentille gravitationnelle pour en trouver des milliers. Au fur et à mesure que de nouveaux télescopes se mettent en ligne, nous nous attendons à en découvrir des milliers d'autres.
Avec ces objectifs, nous pouvons regarder profondément dans l'univers et apercevoir les mystères cosmiques les plus déroutants des mystères cosmiques contemporains: la matière noire et l'énergie noire.
Alors, quelles sont les lentilles gravitationnelles et comment fonctionnent-ils?
Une démonstration spectaculaire de gravité
Les lentilles gravitationnelles sont la démonstration la plus spectaculaire visuellement des théories de la gravité d'Albert Einstein.
Selon Einstein, la masse se plie et distribue le tissu même de l'espace, de la même manière qu'un lourde bol de bowling placé sur un matelas pliera le matelas en dessous.
Tout avec la masse (vous, moi, une feuille, un atome) plie l'espace-temps de cette manière.
Mais ce n'est que lorsqu'un objet est vraiment Massive – comme des galaxies entières et des grappes de galaxies – que cet effet devient si apparent. Alors que la lumière se déplace d'objets éloignés et passe ces galaxies massives, l'espace-temps déformé autour d'eux se plie et concentre cette lumière, l'aggrandant pour nous de voir.
Nous ne sommes pas toujours au bon endroit pour voir cet effet. Tout comme la façon dont vous avez besoin d'aligner une loupe devant votre œil, nous n'observons l'effet de lentille gravitationnelle que lorsqu'il y a un alignement fortuite de l'objet de fond, de la lentille de premier plan et de nous.
Dans les rares occasions où cela se produit, à travers nos télescopes, nous voyons plusieurs versions déformées mais agrandies d'un objet que nous ne pourrions pas autrement voir parce qu'elle est trop faible.
Révéler l'invisible
Même Einstein n'aurait pas pu prédire à quel point les lentilles gravitationnelles deviendraient importantes pour l'astronomie moderne. En fait, il les croyait impossibles à observer.
En effet, Einstein pensait à la lentille gravitationnelle autour des étoiles individuelles, pas des galaxies. Ce n'est que des décennies plus tard que les astronomes se sont réalisés à quel point les galaxies sont massives et à quel point notre univers est plein de notre univers.
De manière impressionnante, les lentilles gravitationnelles peuvent également révéler des détails sur les choses que nous ne pouvons pas du tout voir.
Les théories prédisent environ 85% de la question qui compose l'univers est des choses invisibles appelées Dark Matter. La façon dont une lentille gravitationnelle se plie et la lumière déforme nous permet de mesurer la quantité de matière dans les galaxies – pas seulement la question régulière que nous pouvons voir, mais aussi la matière noire.
Les lentilles gravitationnelles peuvent également nous aider à cartographier les grappes de galaxies à travers l'univers, nous aidant à comprendre sa forme. Notre univers est-il parfaitement plat comme une feuille de papier? Ou a-t-il une courbure comme une sphère, ou une évasion vers l'extérieur comme une selle de cheval?
Cela dépend de la dense de l'univers, et la cartographie des grappes de galaxies nous aide à mesurer la densité d'une force hypothétique connue sous le nom d'énergie sombre.
En regardant l'univers lointain
Les lentilles gravitationnelles rendent généralement les objets de fond dix à 100 fois plus brillants qu'ils ne le seraient autrement. Cet effet fournit une vue haute définition de l'univers distant.
Le télescope spatial James Webb a profité de cette augmentation d'agrandissement pour avoir un aperçu de ce qu'était l'univers à ses balbutiements il y a plus de 13 milliards d'années, bientôt (300 millions d'années) après le Big Bang.
Regarder loin dans le passé nous aide à reconstituer comment notre propre maison céleste, la galaxie de la Voie lactée, formée et comment elle pourrait changer à l'avenir.
Nous sommes sur le point d'avoir l'embarras du choix
La capture de tout cela est des lentilles gravitationnelles sont rares – à une aiguille dans une botte de foin à l'échelle cosmique. Pour les trouver, nous avons besoin d'images de haute qualité de grandes bandes du ciel nocturne.
Cette année, deux nouveaux projets de skywatching devraient révolutionner le domaine: le télescope spatial Euclide de l'Agence spatiale européenne et l'Observatoire Vera Rubin au Chili.
Euclid, qui a été lancé en 2023 et a publié son premier lot de données plus tôt cette année, imaginera un tiers monumental du ciel entier, avec une clarté qui ne vient que de l'espace.
Inversement, l'observatoire Vera Rubin fonctionnera à partir du sol, mais s'imaginera le entier ciel de l'hémisphère sud. Il créera la vue la plus détaillée du Cosmos jamais vue.
Au cours de leur vie, Euclide et l'Observatoire Vera Rubin devraient dévoiler 100 000 nouveaux objectifs gravitationnels, 100 fois plus que nous ne le savons actuellement.
Comment pouvons-nous trouver ces 100 000 lentilles gravitationnelles parmi les milliards de galaxies observées par ces télescopes? Il n'est pas possible pour les scientifiques de parcourir à travers autant d'images seules.
Au lieu de cela, Euclid s'appuie sur des scientifiques citoyens pour aider à former des modèles d'IA à savoir quoi rechercher. En demandant aux gens de regarder chacun quelques images et de classer s'ils sont des lentilles gravitationnelles ou non, les modèles d'IA peuvent apprendre de ces exemples et peuvent ensuite rechercher l'ensemble de données (si vous souhaitez vous impliquer, consultez leur site Web).
Des lentilles individuelles fournissant de nouvelles perspectives uniques sur les galaxies lointaines, à l'étude de l'effet sur de grands échantillons statistiques pour comprendre la nature même de l'univers, les objectifs gravitationnels font tout. Ils sont le couteau suisse dans la boîte à outils d'un astronome, et nous sommes sur le point d'être gâtés pour le choix.
