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Lentille gravitationnelle HTML5

Résumé

Au début du XXe siècle, Albert Einstein développe la théorie de la relativité générale. Selon cette théorie, les photons infléchissent leur trajectoire à proximité d'un corps massif. La déflexion est d'autant plus forte que l'objet est massif.

En réalité, la lumière se propage bien le long du trajet le plus court mais l'espace (ou plus précisément l'espace-temps) dans lequel elle évolue est courbé par la présence de masse. Dans la théorie de la relativité générale, la gravitation est d'ailleurs une conséquence (et non la cause) de cette courbure de l'espace-temps.Cette simulation utilise un modèle simplifié de l'espace-temps sous la forme d'une grille 2D déformée par une masse. Voir le paragraphe "Simplification" à la fin de ce texte pour comprendre les limitations de ce modèle.

Lorsque Einstein publie sa théorie de la relativité générale en 1915, il ne prédit pas seulement la déviation de la lumière lors de son passage à proximité d'une masse ou l'existence des ondes gravitationnelles. Il établit une toute nouvelle conception de l'univers, notamment en ce qui concerne la nature de la force gravitationnelle. Ni cette théorie fort complexe, ni même le prix Nobel qu'il reçoit en 1915 (pour son explication de l'effet photoélectrique) ne rendent Einstein célèbre, au delà du cercle des scientifiques de l'époque.

Le 29 mai 1919 survient une éclipse solaire qui est l'occasion choisie par l'astronome Arthur Eddington pour mesurer la position des étoiles quasiment alignées avec le Soleil au moment précis de l'éclipse. Il cherche à valider la théorie de la relativité générale énoncée 4 ans plus tôt par Einstein. Eddington constate une déviation de la position des étoiles conforme aux prédictions de la théorie de la relativité générale, Du jour au lendemain, Albert Einstein devient une célébrité mondiale comme en témoignent les nombreuses unes des journaux de l'époque.

La lumière peut donc être déviée par une masse. Une lentille gravitationnelle est une sorte d'illusion optique à l'échelle cosmique. Sous certaines conditions d'alignement, il est possible d'observer plusieurs images d'une même source lumineuse située derrière un objet massif. En fonction de la distribution de masse de la masse déflectrice, on peut observer des arcs ou des anneaux (nommés "anneaux d'Einstein").

Simplifications : L'animation illustre comment une masse modifie la grille d'un espace-temps simplifié en 3D. Cette représentation est avant tout pédagogique. L'espace-temps réel est à quatre dimensions (trois pour l'espace - une pour le temps). Cette vidéo d'Alessandro Roussel résume bien la difficulté d'illustrer graphiquement les effets de la relativité générale.

Objectifs d'apprentissage

  • Introduire une des conséquences les plus étonnantes de la théorie de la relativité générale d'Einstein.
  • Définir ce qu'est une lentille gravitationnelle et son intérêt en cosmologie.
  • Illustrer le principe de la déformation de l'espace-temps par un corps massif.
  • Replacer ce phénomène dans un contexte historique avec l'expédition "Sobral-Principe" d'Arthur Eddignton.

En savoir plus

L'observation de lentilles gravitationnelles va bien au delà de l'anecdote historique. Ce sont des phénomènes astronomiques très recherchés à l'origine de nombreuses découvertes…

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