Il y a cent ans, Albert Einstein avait introduit une nouvelle façon de penser radicale à propos de la force de gravité. Selon sa théorie générale de la relativité, l’espace n’est pas une arène vide dans laquelle se déroulent les événements de l’univers, mais un participant actif à ces événements.
Selon la relativité générale, tout ce qui a une masse - une étoile, une planète, une loutre - déforme l’espace qui l’entoure et le courbe. La matière courbe l'espace, et cette courbure indique aux autres matières comment se déplacer. Nous, les humains, sommes mal équipés pour imaginer un espace tridimensionnel incurvé. Voici donc une analogie en deux dimensions: si une balle lourde est placée sur un trampoline, la surface du trampoline se pliera. Si vous faites ensuite rouler des billes sur la surface du trampoline, leurs chemins seront incurvés. C'est une analogie imparfaite, mais transmet l'idée générale. Ce principe explique pourquoi la Terre suit une trajectoire courbe autour du Soleil et que la Lune suit une trajectoire courbe autour de la Terre.
Une caractéristique clé de la relativité générale est que la courbure de l'espace affecte le chemin de la lumière aussi bien que celui de la matière. Cet effet est connu sous le nom de «lentille gravitationnelle». Il se révèle être différent du comportement de la lumière sous la gravité newtonienne. Il est donc immédiat d'utiliser la lentille gravitationnelle pour vérifier si la relativité générale est réelle. Cela s'avère également extrêmement utile pour étudier les coins les plus lointains de l'univers, car il permet de magnifier les images de galaxies lointaines.
Comment fonctionne la lentille gravitationnelle? Si une lumière venant de quelque étoile lointaine se dirigeant vers nous passe devant un autre objet massif, par exemple une autre étoile ou une autre galaxie, cette lumière est déviée et son trajet est modifié. Lorsque cette lumière atteint la Terre, elle semble provenir d'une direction différente de celle de son trajet d'origine. Nous voyons l'étoile dans une position du ciel différente de celle où elle se trouve. Ce mouvement apparent de l’étoile de fond est exactement le double de ce que vous verriez en gravité newtonienne; par conséquent, il fournit un moyen simple de tester la théorie d'Einstein.
Pour mesurer à quel point l'image d'une étoile s'est déplacée, vous devez pouvoir l'observer avant et après que sa lumière ait été déviée par la masse intermédiaire. Nous n'avons généralement pas la possibilité de nous éloigner suffisamment de la Terre pour voir les étoiles lointaines sous deux angles différents, mais nous pouvons tirer parti du fait que nous nous déplaçons autour du soleil.
Si nous observons une étoile dans la partie opposée du ciel par rapport au soleil, nous voyons sa "vraie" position. Six mois plus tard, l'étoile se trouvera dans la même partie du ciel que le soleil et nous pourrons alors mesurer à quel point sa lumière est déviée par la masse du soleil. Nous ne pouvons généralement pas observer les étoiles lorsqu'elles sont proches du soleil, car il fait jour lorsque le soleil se lève. Mais dans certaines circonstances, nous pouvons. Il y a un moment où le soleil est levé mais la lumière du soleil est bloquée: une éclipse totale de soleil.
En mai 1919, les astronomes ont pu entrevoir une éclipse solaire visible depuis certaines régions d'Afrique et d'Amérique du Sud. Afin de maximiser les chances d'observer avec succès l'éclipse, deux équipes ont été envoyées pour l'observer: une au Brésil et une dirigée par Sir Arthur Eddington, sur l'île de Principe au large des côtes de l'Afrique de l'Ouest. Malgré une couverture nuageuse partielle, l'équipe d'Eddington a réussi. La déviation de la lumière mesurée des étoiles du groupe Hyades correspondait parfaitement à la théorie d'Einstein.
Lors de l'éclipse totale de soleil du 29 mai 1919, Sir Arthur Eddington (à droite) confirma la théorie de la relativité générale d'Einstein en calculant la déviation de la lumière des étoiles à côté du soleil. (AKG) Cette découverte était capitale. "LUMIÈRE TOUS LES TÉMOINS DANS LE CIEL. TRIOMPHE DE LA THÉORIE EINSTEIN", a proclamé le New York Times. (Il ajoutait: «Des hommes de science plus ou moins agités face aux résultats des observations Eclipse.») Cette confirmation a fourni un moment d’unité dans un monde déchiré par la guerre; Comme le notait le physicien JP McEvoy dans son livre de 1999, Eclipse, "une nouvelle théorie de l'univers, née d'un Juif allemand travaillant à Berlin, a été confirmée par un quaker anglais sur une petite île africaine".
Ce n'est qu'en 1936 qu'un astronome suisse, Fritz Zwicky, s'est rendu compte du potentiel de la lentille gravitationnelle en tant qu'outil permettant d'étudier l'univers au-delà de notre voisinage stellaire. Lors du calcul des masses d'amas de galaxies - connues à l'époque sous le nom de nébuleuses extragalactiques - Zwicky a noté qu'il était fort probable que des galaxies plus éloignées situées derrière elles verraient leur lumière déviée à mesure qu'elles passeraient devant ces amas. En 1937, il écrivait que cet effet "nous permettrait de voir les nébuleuses à des distances supérieures à celles habituellement atteintes même par les plus grands télescopes".
La clé de ce concept est une caractéristique de la lentille gravitationnelle qui la rend incroyablement utile: la lumière qui serait autrement dirigée loin de nous est dirigée dans notre direction, ce qui signifie que nous voyons plus de lumière provenant de sources à lentille que nous le ferions normalement. En d'autres termes, les galaxies lointaines qui se trouvent derrière des objets massifs sont magnifiées. Et puisque les amas de galaxies sont les structures les plus massives de l'univers, ce sont les meilleures loupes que la nature puisse offrir.
Pendant près de 50 ans, la suggestion de Zwicky a reçu peu d’attention. Les galaxies à lentilles potentielles étaient, après tout, beaucoup trop faibles pour être vues. Cela a changé dans les années 1980, lorsque le développement des premiers appareils d'imagerie numérique a remplacé les plaques photographiques et a considérablement accru la sensibilité des télescopes aux sources faibles.
En 1986, un arc dramatique étendu a été découvert dans l'amas de galaxies Abell 370. Le long arc rouge de cette image s'est avéré être deux fois plus loin que l'amas lui-même: c'est une galaxie d'arrière-plan - une spirale très semblable à la Voie lactée - dont la lumière a été déformée par la masse de la grappe, la tendant dans cet énorme arc. Une décennie plus tard, une autre galaxie à lentilles battait le record de l'objet le plus éloigné connu, la première fois depuis les années 1960 qu'une galaxie ordinaire - pas un quasar, les objets les plus brillants de l'univers - détenait ce record.
Cette image longue portée du télescope spatial Hubble de l'amas massif de galaxies Abell 2744 (au premier plan) est la plus profonde jamais réalisée de tous les amas de galaxies. (NASA / ESA) En 2009, le lancement du télescope spatial Hubble (HST) a fourni les images les plus sensibles jamais obtenues de l'univers lointain, et sa dernière mission de maintenance a ajouté une nouvelle caméra proche infrarouge extrêmement sensible. Actuellement en cours avec Hubble, un nouveau programme promet de repousser encore plus loin les limites de notre regard: le programme Hubble Frontier Fields.
L'idée derrière ce programme est de faire des observations incroyablement profondes qui révèlent les galaxies les plus lointaines et les plus éloignées, mais orientées stratégiquement vers des amas de galaxies afin de bénéficier de l'effet grossissant du cristallin gravitationnel. Le programme couvrira six énormes amas de galaxies, dont cinq ont été achevés à ce jour. La chercheuse principale du projet Frontier Fields, Jen Lotz, l'a décrit comme "la vision la plus profonde de l'univers jamais prise".
"The Frontier Fields est une expérience", a déclaré Matt Mountain, président de l'Association des universités pour la recherche en astronomie (AURA) et ancien directeur de l'Institut des sciences du télescope spatial, qui gère Hubble. La question centrale de l'expérience: "Pouvons-nous utiliser la qualité d'image exquise de Hubble et la théorie de la relativité générale d'Einstein pour rechercher les premières galaxies?"
L'analyse préliminaire des premiers Frontier Fields a déjà commencé à fournir une mine d'informations sur l'univers primitif. Loin derrière le premier groupe, Abell 2744, nous avons trouvé des images agrandies d'un groupe de galaxies dans l'univers primitif - quelques centaines de millions d'années seulement après le Big Bang - qui sont peut-être en train de former leur propre groupe.
Une étude minutieuse des images de Frontier Fields révèle des galaxies grossies 50 fois ou plus par lentille gravitationnelle. Ce sont quelques-unes des plus faibles galaxies jamais vues dans l'univers primitif. Le plus petit d'entre eux ressemblera au nain Fornax, une petite galaxie qui tourne autour de la Voie Lactée et mesure environ un millième de sa masse. Bien que ce soit minime par rapport aux normes des galaxies, nous apprenons de Frontier Fields qu'il y avait un grand nombre de petites galaxies dans l'univers primitif. Tellement, en fait, qu'ensemble, ils pourraient avoir été responsables de la majeure partie de l'énergie au cours des premiers milliards d'années de l'univers.
Les limites du télescope spatial Hubble fixent la limite du passé. Les toutes premières galaxies voient leur lumière se déplacer si loin dans l'infrarouge par l'expansion de l'espace que Hubble ne peut pas les voir. Tout cela changera en 2018 lorsque le successeur de Hubble, le télescope spatial James Webb, sera lancé en 2018. Avec un miroir plus grand et des caméras plus sensibles pouvant voir plus loin dans l'infrarouge, Webb nous permettra de regarder encore plus loin dans le passé et de voir même des galaxies plus faibles. En pointant Webb sur les amas de galaxies et en utilisant la lentille gravitationnelle à notre avantage, nous pouvons pousser encore plus loin ces limites.
Dans quelques années à peine, nous pourrions bien regarder les toutes premières galaxies à se former.
