Les débuts de la cosmologie : la relativité, Mirages et arcs gravitationnels

Les débuts de la cosmologie : la relativité, Mirages et arcs gravitationnels
Les débuts de la cosmologie : la relativité, Mirages et arcs gravitationnels

Mesurer l’Univers reste l’un des rêves les plus anciens des astronomes. La cosmologie, au sens moderne du terme, est l’étude de la structure et de l’évolution de l’Univers, c’est-à-dire sa modélisation géométrique. Le terme fut introduit par la scolastique (pour laquelle la cosmologie est, à l’égal de la psychologie et de la théologie naturelle ou théodicée, une division de la métaphysique) et par le rationalisme allemand.

L’approche rationnelle de l’étude de l’Univers ne débute réellement qu’à l’époque de la Grèce classique, au Ve siècle avant notre ère, à l’opposé des divers récits mythiques relatifs à sa formation. Ainsi, toutes les civilisations anciennes, de l’Égypte à notre civilisation gréco-romaine en passant par les civilisations chinoises et par celles de l’Amérique précolombienne, avec les Mayas, ont fait référence à la cosmogonie. D’ailleurs, les noms des planètes et des jours de la semaine gardent des traces de ces vieilles croyances et portent encore des noms de dieux romains (mardi, par exemple, est le jour de Mars).

Les débuts de la cosmologie

Au début, le Grec Anaximandre, en 600 av. J.-C., imagine une Terre plate. Pythagore, lui, émet l’idée d’une Terre sphérique. Ératosthène, philosophe et astronome de l’école d’Alexandrie, mesure, le premier, correctement le diamètre de la Terre. Pour Platon, la Terre se trouve au centre de l’Univers, immobile, et les étoiles situées à la surface d’une sphère tournent autour d’elle. Le modèle cosmologique décrit par Platon et largement répandu par Aristote privilégie donc le géocentrisme. La cosmologie aristotélicienne eut cours pendant tout le Moyen Âge, malgré l’introduction par le christianisme de concepts nouveaux, tels que ceux de Providence, de Création, de miracle, etc. Guillaume d’Occam ouvrit une brèche dans la conception antique et médiévale en ajoutant les idées d’infinitude du monde et de pluralité des mondes.

Astronomie : le système de Ptolémée

En 280 av. J.-C., l’astronome grec Aristarque de Samos émet l’idée d’un Univers héliocentrique, où les planètes gravitent autour d’un Soleil central. Homme de science bien trop en avance sur son temps, Aristarque de Samos tombe dans l’oubli ainsi que sa thèse.

Il faudra attendre le milieu du XVIe siècle pour que le géocentrisme soit détrôné par l’héliocentrisme avec les travaux de Nicolas Copernic. Ces derniers serviront de base à Kepler, astronome allemand, pour établir (entre 1609 et 1619) différentes lois relatives au mouvement elliptique des planètes et à leur période de révolution. Toute allusion à l’astrologie est définitivement écartée. Partisan de la théorie copernicienne, Galilée introduira le premier le concept de la relativité du mouvement et de l’immobilité, puis Isaac Newton apportera au modèle cosmologique le principe de la gravitation universelle.

Cosmologie et relativité

Avec Albert Einstein, les lois de la relativité générale émergent en 1916. De ses équations, Einstein déduit un nouveau modèle cosmologique: un modèle relativiste d’un Univers sphérique fini, mais surtout statique.

 

L’Univers étant encore conçu comme immuable, Einstein dut compliquer ses équations pour obtenir un modèle d’univers statique, car sa théorie conduisait naturellement à un Univers en expansion, phénomène qui fut reconnu quelques années plus tard.

Les observations de E. Hubble, en 1929, avec la découverte du décalage vers le rouge des spectres des galaxies amenèrent à la théorie de l’expansion de l’Univers.

En 1964, la découverte du rayonnement à 3 K de l’Univers confirma la théorie du big-bang. Si ces deux découvertes nous fournissent les faits opérationnels de la théorie du big-bang, la relativité générale lui donne cependant son cadre théorique.

Il n’y a là rien de surprenant quand on sait que la relativité générale est avant tout une théorie de la gravitation, et que la gravitation est la force dominante à l’échelle de l’Univers. Mais si, dans la théorie de Newton, la gravitation était une force à distance s’exerçant entre les masses, son statut a changé radicalement avec la théorie d’Einstein : elle est devenue une propriété géométrique de l’espace-temps déformé par les masses qu’il renferme. Chaque masse présente dans l’Univers courbe en effet l’espace-temps autour d’elle, et cette courbure est identifiée à un champ de gravitation. Tout corps passant à proximité ressent cette courbure et « tombe» alors dans le champ de gravitation.

Mirages et arcs gravitationnels

La vision radicalement nouvelle que la relativité générale propose de l’espace-temps et de la matière a une autre implication, inconcevable dans la théorie de Newton : la lumière, qui n’a pas de masse, est elle aussi sensible à la déformation qu’engendrent les corps massifs autour d’eux. Autrement dit, elle aussi est courbée, déviée, au voisinage de ces corps. Cette prédiction fut vérifiée pour la première fois en 1919, à l’occasion d’une éclipse totale de Soleil. On nota alors que les étoiles lointaines qui apparurent à proximité du Soleil durant les quelques minutes d’obscurité étaient légèrement décalées par rapport aux positions habituelles qu’elles occupaient en pleine nuit (c’est-à-dire en l’absence du Soleil). C’était bien la preuve que leur lumière avait été déviée par la masse du Soleil avant de parvenir jusqu’à nous.

Cet effet de déviation de la lumière par les corps massifs est aujourd’hui exploité à très vaste échelle dans l’Univers. Il faut pour cela des conditions bien particulières : l’alignement quasi parfait, sur notre ligne de visée, d’un astre très lointain (quasar ou galaxie) et la présence d’une importante masse d’avant-plan (galaxie ou amas de galaxies). Comme l’avait déjà envisagé Albert Einstein mais surtout comme l’avait formalisé l’astronome d’origine suisse Fritz Zwicky en 1937, la masse d’avant-plan doit alors dévier et concentrer la lumière en provenance de l’astre lointain. Jouant en quelque sorte le rôle d’une lentille optique, elle doit donc en produire des images plus ou moins déformées (selon sa nature et selon la précision de l’alignement).

Il fallut attendre 1979 pour que soit mis en évidence le tout premier exemple de tels «mirages gravitationnels» (baptisés ainsi par analogie avec les mirages terrestres). Ce que les astronomes prirent tout d’abord pour un couple de quasars se révéla être en fait l’image dédoublée d’un seul et même quasar lointain (Q0957 + 561), dont les rayons lumineux avaient été déviés par une galaxie géante d’avant-plan et avaient eu le choix entre deux chemins optiques différents. On connaît aujourd’hui bien d’autres cas de mirages, où l’image d’un quasar lointain est démultipliée en 2, 3, 4 ou 5 exemplaires. La Croix d’Einstein est l’un des plus célèbres. Quatre images d’un même quasar (Q2237 + 0305) y apparaissent, entourant une galaxie d’avant-plan.

En 1986, nouvelle découverte : étudiant l’amas de galaxies Abell 370, situé à plus de 4 milliards d’années-lumière de la Terre, des astronomes toulousains repérèrent autour de lui de fins arcs de très faible luminosité. On comprit bientôt qu’il s’agissait d’images de galaxies d’arrière-plan, distordues en ces portions d’anneaux par l’énorme concentration de masse de l’amas. Ces premiers arcs furent eux aussi le début d’une longue série.

Les cas de mirages et d’arcs gravitationnels se comptent aujourd’hui par dizaines dans l’Univers. Ils ont donné naissance à une nouvelle discipline, l’optique gravitationnelle, qui a des répercussions fondamentales en cosmologie. Tout d’abord, elle permet d’avoir accès aux confins de l’Univers, et d’étudier plus en détail la structure d’astres inaccessibles autrement car beaucoup trop lointains. Ensuite, l’étude approfondie des arcs gravitationnels permet de reconstituer la «configuration de la lentille», c’est-à-dire la répartition de matière au sein des amas de galaxies d’avant-plan. Les astronomes se sont ainsi aperçu que la masse responsable de la déformation dépassait de plusieurs dizaines de fois celle de la seule matière visible de ces amas, ce qui confirmait l’existence en leur sein de vastes quantités de matière sombre, invisible. Par ailleurs, cette distribution paraît assez «piquée» : la matière, visible ou invisible, est plutôt concentrée au centre de l’amas.

Enfin, l’étude de certains mirages (ceux où le quasar accuse des variations, par exemple de luminosité) permet d’évaluer – par une méthode totalement indépendante de celles habituellement utilisées – la célèbre constante de Hubble (notée H), les astronomes réussissant à mesurer des décalages en temps dans les variations d’intensité lumineuse des images multiples. Sachant que la lumière a emprunté des chemins légèrement différents et en modélisant le profil de la galaxie-lentille, ils remontent à la distance parcourue (la distance du quasar). Connaissant la vitesse d’expansion de l’Univers à cette distance (via l’analyse spectrale des images du quasar), ils en déduisent H.

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