Une lentille gravitationnelle courbe et focalise la lumière d'une source lointaine par la gravité d'une masse interposée. Elle révèle matière noire, galaxies cachées et même la constante de Hubble.
Imaginez la surface d'un trampoline parfaitement tendu. Posez-y une boule de pétanque : elle creuse un puits. Faites rouler une bille par-dessus. Sa trajectoire, au lieu de rester droite, s'incurve en passant près du puits, comme attirée. Remplacez la boule par le Soleil, la bille par un rayon lumineux : vous venez de voir le principe de la lentille gravitationnelle.
En relativité générale, la masse ne « tire » pas la lumière à la manière newtonienne — la masse courbe l'espace-temps, et la lumière suit les courbes de cet espace-temps (les géodésiques). Près d'un objet massif, ces géodésiques s'incurvent, et l'image d'une source d'arrière-plan est déformée, amplifiée, parfois dédoublée, voire démultipliée en arc ou en anneau.
Einstein a calculé la déflexion dès 1915 dans sa théorie naissante. Pour un rayon frôlant la surface solaire, sa prédiction : 1,75 seconde d'arc — exactement le double de la valeur newtonienne. Le test décisif a lieu le 29 mai 1919. Arthur Eddington et Frank Dyson organisent deux expéditions en Afrique de l'Ouest et au Brésil pour observer une éclipse totale : pendant ~6 minutes, les étoiles proches du Soleil éclipsé deviennent visibles. En comparant leurs positions à celles mesurées six mois plus tôt (quand le Soleil en était loin), ils constatent le décalage exact prédit par Einstein. Le 6 novembre 1919, Eddington annonce publiquement les résultats. L'affaire fait la une mondiale — The Times titre « REVOLUTION IN SCIENCE ». Einstein devient célèbre d'un jour à l'autre.
Depuis, la lentille gravitationnelle est passée du statut de curiosité théorique à celui d'outil observationnel de premier plan. Elle permet :
• De peser les galaxies et les amas, y compris leur composante invisible (matière noire). • De voir au-delà des galaxies les plus lointaines directement observables, en bénéficiant de l'amplification. • De mesurer la constante de Hubble indépendamment des autres méthodes. • De détecter des objets compacts massifs dans la Voie lactée (MACHOs, exoplanètes orphelines) par microlentille. • De contraindre la nature de l'énergie noire par lentillage faible statistique.
Trois régimes distincts selon l'intensité de l'effet et l'alignement source-lentille.
Lentillage fort (strong lensing). Alignement parfait ou quasi-parfait. La source est dédoublée en 2 à 5 images, déformée en arc de cercle, voire transformée en anneau complet (anneau d'Einstein) quand l'alignement est exact. Le rayon de cet anneau est :
θ_E = √((4GM/c²) · (D_LS)/(D_L · D_S))
avec M la masse de la lentille, D_L distance observateur-lentille, D_S distance observateur-source, D_LS distance lentille-source. Pour une galaxie-lentille typique et une source à z = 1, θ_E ≈ 1 seconde d'arc.
Lentillage faible (weak lensing). Alignement quelconque, effet subtil : les galaxies d'arrière-plan sont légèrement aplaties dans une direction préférentielle (shear). Pour le détecter, il faut moyenner sur des milliers de galaxies. C'est l'outil cosmologique par excellence : il cartographie la masse totale (y compris la matière noire) sur de vastes portions de ciel. Euclid (ESA, 2023), LSST/Rubin (2025) et Nancy Grace Roman (2027) sont des projets massivement dédiés à cela.
Microlentille (microlensing). Une étoile de premier plan passe devant une étoile d'arrière-plan : la source s'illumine temporairement, pic de quelques jours à quelques mois selon la masse de la lentille. Pas d'image multiple visible (sauf à l'interférométrie), juste une amplification. Programmes au sol : OGLE (Pologne, depuis 1992, centre galactique), MOA (Nouvelle-Zélande), KMTNet. Permet de détecter des objets compacts de masse planétaire jusqu'à stellaire dans le disque de la Voie lactée, y compris des exoplanètes très éloignées de leur étoile.
Particularités amusantes. Les images multiples d'un quasar lentillé ne montrent pas toutes la même phase temporelle — la lumière suit des chemins de longueurs différentes, introduisant des retards de plusieurs jours à plusieurs années. Ces retards mesurés (projet H0LiCOW) donnent H₀ directement.
Quelques lentilles devenues des icônes astrophysiques.
Q0957+561. Le premier quasar lentillé découvert (Walsh, Carswell, Weymann 1979). Deux images (A et B) à 6 secondes d'arc d'écart, pour un quasar unique à z = 1,41 lentillé par une galaxie à z = 0,36. Retard temporel de 417 jours entre A et B.
Croix d'Einstein (Q2237+0305). Un quasar à z = 1,69 lentillé par une galaxie proche (z = 0,04) formant quatre images disposées en croix autour du noyau galactique. Image iconique publiée par HST en 1990. Un bijou visuel.
Anneau d'Einstein complet. Configurations où source, lentille et observateur sont parfaitement alignés. SDSS J0946+1006 (2008) est le premier « Horseshoe » observé. JVAS B1938+666, B1608+656, SDP.81 (ALMA, 2015) sont parmi les plus complets jamais observés.
Abell 1689. Amas de galaxies à z = 0,18 dans la Vierge, l'un des plus massifs et des plus efficaces lentilles connus. HST y a détecté ~160 images multiples de galaxies d'arrière-plan, dressant une carte de masse d'une précision inégalée. Son champ révèle des galaxies à z > 7.
Abell 370 et les champs profonds « Frontier Fields ». HST (2013-2018), puis JWST (2022-), utilisent six grands amas comme télescopes cosmiques pour voir les galaxies les plus primitives. Effet d'amplification de ×10 à ×100 localement. JWST-NIRCam a détecté grâce à cette méthode plusieurs galaxies à z > 12 dès 2022.
Étoile Icarus (MACS J1149). Première étoile individuelle jamais observée à z = 1,49 (9 milliards d'années-lumière), grâce à un facteur d'amplification de plusieurs milliers dû à une microlentille stellaire superposée à la macro-lentille de l'amas. Détectée par HST en 2018.
Et en amateur ? Observer visuellement une lentille gravitationnelle est hors de portée des instruments amateurs — les séparations sont typiquement inférieures à 5 secondes d'arc et les objets extrêmement faibles (mag 20+). En revanche, photographier la Croix d'Einstein avec un télescope amateur de 300+ mm et un bon capteur est possible (c'est la cible favorite des imageurs deep sky avancés).
Quatre grandes filières méthodologiques.
Imagerie directe haute résolution. Pour résoudre les images multiples d'une lentille forte. HST (résolution 0,05''), JWST (0,03'' à 1 µm), interféromètres radio (VLBI, EHT) pour les quasars. Les plus grands télescopes au sol (Keck, VLT, GTC) avec optique adaptative.
Relevés photométriques grand champ. Pour chasser les lentilles au sol, dans les milliards de galaxies des relevés. SDSS, DES, HSC, puis aujourd'hui Euclid (à terme 1,5 milliard de galaxies) et LSST/Rubin. L'intelligence artificielle joue un rôle croissant pour identifier automatiquement les candidats lentilles.
Microlensing alert networks. OGLE, MOA, KMTNet surveillent en permanence des millions d'étoiles vers le centre galactique. Quand une microlentille démarre, une alerte mondiale déclenche un suivi intensif pour caractériser la courbe de lumière et rechercher la signature de perturbations planétaires.
Cosmologie par lentillage faible. Mesurer la distorsion statistique du shear sur des millions de galaxies d'arrière-plan, cellule par cellule, donne une carte 3D de la matière totale. Cette carte contraint fortement les paramètres cosmologiques (Ω_m, σ_8, équation d'état de l'énergie noire). Relevés-clés : CFHTLenS (2012), KiDS (2014-2019), DES (2013-2019), HSC (2014-), Euclid (2023-2029), LSST (2025-2035).
Mesure de H₀ par retard temporel. Le projet H0LiCOW a mesuré H₀ = 73,3 km/s/Mpc en observant les retards temporels de six quasars lentillés sur plusieurs années (Nature, 2020). Méthode indépendante de l'échelle des distances et du CMB, elle atterrit du côté des mesures locales (SH0ES) dans la tension de Hubble.
Plusieurs phénomènes optiques cosmiques sont voisins mais distincts.
Matière noire. Les lentilles gravitationnelles détectent la matière noire (en révélant plus de masse que la lumineuse) mais n'en sont pas une. L'outil n'est pas la cible.
Réfraction atmosphérique. Notre atmosphère terrestre dévie aussi la lumière (~0,5° à l'horizon), mais via un changement d'indice optique dans un fluide matériel. Totalement différent de la déflexion gravitationnelle, qui se produit dans le vide pur et concerne l'espace-temps lui-même.
Optique adaptative. Compensation en temps réel de la turbulence atmosphérique par miroir déformable. Ingénierie optique classique, sans aucun lien avec la relativité générale.
Scintillation. Variations rapides d'éclat d'une étoile dues à la turbulence atmosphérique (à l'œil nu) ou à des inhomogénéités du milieu interstellaire (pulsars radio). Phénomènes différents — pas de lentille massive impliquée.
Trous noirs et disques d'accrétion. Un trou noir lentille effectivement la lumière des sources d'arrière-plan (on voit l'« ombre » du trou noir via ce mécanisme — image EHT de M87* en 2019). Mais la lentille est un effet autour du trou noir, pas le trou noir lui-même.
Lentilles optiques classiques. Les lentilles en verre focalisent la lumière par réfraction (milieux d'indices différents). Une lentille gravitationnelle ne focalise pas de la même façon : elle n'a pas de point focal unique, et son effet dépend de la géométrie globale du champ de masse. Ce n'est pas une loupe cosmique au sens strict, même si l'expression est parfois utilisée.
Parce qu'elle a validé la relativité générale d'Einstein quatre ans après sa publication. Le 29 mai 1919, les équipes d'Arthur Eddington (Principe, Afrique) et Andrew Crommelin (Sobral, Brésil) ont mesuré la déflexion des étoiles par le Soleil pendant une éclipse totale : 1,75 seconde d'arc à la limbe, exactement la prédiction d'Einstein et le double de celle de la physique newtonienne. L'annonce publique du 6 novembre 1919 à la Royal Society a fait la une mondiale et propulsé Einstein au rang de célébrité scientifique internationale.
Quatre usages majeurs : (1) peser les galaxies et les amas, y compris leur matière noire invisible ; (2) amplifier les sources très lointaines qu'on ne verrait pas autrement (c'est ainsi que JWST détecte des galaxies à z > 12) ; (3) mesurer la constante de Hubble indépendamment via les retards temporels des quasars lentillés (projet H0LiCOW : H₀ = 73,3 km/s/Mpc) ; (4) cartographier la matière totale sur de grandes portions de ciel via le lentillage faible statistique — la grande mission d'Euclid et LSST.
Une configuration de lentillage fort parfaitement symétrique où source, lentille et observateur sont rigoureusement alignés. La lumière de la source contourne la lentille par tous les côtés à la fois, formant un anneau complet autour de la masse déflectrice. Prédit mathématiquement par Einstein en 1936. Le premier demi-anneau fut observé en 1988 (MG1131+0456), le premier anneau quasi-complet en 1998. SDSS J0946+1006 « Horseshoe » et SDP.81 (ALMA, 2015) comptent parmi les plus spectaculaires.
Visuellement à l'œil dans un oculaire, c'est quasi impossible : les objets sont extrêmement faibles (mag > 18-20) et les séparations inférieures à 5 secondes d'arc. En revanche, la photographie CCD/CMOS avec un télescope de 250-300 mm et poses longues permet de résoudre la Croix d'Einstein (Q2237+0305, mag 16,8 intégrée) ou l'anneau d'Einstein Horseshoe. C'est une des cibles ultimes de l'astrophotographie deep sky avancée — un trophée pour imageurs expérimentés.