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La méthode de la microlentille gravitationnelle

— 13 septembre 2022 —



L'espace-temps est la toile qui se courbe au passage de chaque objet massif comme les étoiles et les planètes, telle une boule de pétanque lancée sur une nappe tendue. C'est grâce à cette courbure que se produit un phénomène d'optique spatiale que l'on appelle la lentille gravitationnelle. Il s'agit non seulement d'un phénomène, mais également d'une méthode (découlant directement du phénomène) pour découvrir de nouvelles exoplanètes. Faisons la mise au point dessus !

Dans un premier temps nous éclaircirons le phénomène physique de la lentille gravitationnelle, puis nous découvrirons comment il est appliqué à la découverte d'exoplanètes, pour enfin consulter son historique de détection et entrevoir son avenir dans la recherche scientifique.

Cela fait plus de 100 ans que le phénomène de la lentille gravitationnelle a été découvert, et plus précisément : c'est lors de l'éclipse solaire de 1919 qu'elle fut utilisée pour prouver la relativité générale d'Einstein. Ce phénomène, très impressionant comme nous allons le voir, a donc joué un rôle historique dans la révolution scientifique qu'est la relativité générale, et continue encore de jouer un rôle important dans les découvertes pionnières de notre époque.

 

Illustration

De nombreuses lentilles gravitationnelles sont présentes sur cette photographie, arriverez-vous à toutes les trouver ? (Source : JWST, NASA)

 

L'élément clé de la relativité général est que l'attraction gravitationnelle des corps massifs (étoiles, planètes...) n'est plus considérée comme provenant d'une force (ce que l'on apprend au lycée), mais qu'elle est en réalité issue de la déformation de l'espace-temps. Telle une boule de pétanque pliant la nappe sur la laquelle on la pose, une étoile déforme le tissu de l'espace-temps et tout corps s'en approchant glissera au long de cette déformation, ce qui modifiera sa trajectoire. Lorsqu'un corps (comme une comète) passe proche du Soleil, sa trajectoire est déviée durant tout le temps qu'il passe dans l'espace de cette déformation et reprend sa trajectoire rectiligne dès qu'il en sort. Mais qu'arrive t-il si ce corps n'est pas un objet "matériel" comme une planète ou un astéroide, mais de la lumière ? Exactement la même chose.

Imaginez que vous éclairiez le Soleil avec une (grosse) lampe : les rayons de votre (très grosse) lampe arriveront de toute part sur lui (et pas seulement à un endroit comme le ferait un astéroide), et tout ceux le frollant de très proche subiront l'intense effet de la courbure de l'espace-temps qui leur feront suivre une trajectoire courbée, et donc modifiera la trajectoire de la lumière, comme le ferait une lentille. La gravité, ou plus justement la courbure de l'espace-temps, est donc pour la lumière l'équivalent d'une lentille optique, d'où l'appellation de lentille gravitationnelle.

C'est en mesurant la position des étoiles à côté du Soleil (caché par la Lune) que l'éclipse de 1919 a permis de prouver que leur lumière a été dévié par le champ gravitationnel du Soleil. Plus un corps stellaire est massif, plus la courbure de l'espace-temps est forte, et plus la lentille gravitationnelle a un effet intense sur la lumière. Un trou noir peut ainsi produire un anneau de lumière autour de lui peut importe l'angle depuis lequel on l'observe (en tordant la trajectoire de la lumière émise par son disque d'accrétion). Une galaxie courbe encore plus intensément la lumière, au point de modifier la position apparente des autres objets astronomiques se trouvant proches ou derrière elle.

 

Illustration

Illustration de Gargantua, un trou noir supermassif (Source : Interstellar)

 

Une planète est suffisament massive pour courber la lumière, mais profondément moins qu'une étoile ou une galaxie. Tellement moins que nos instruments ne sont en fait même pas capables de voir l'image de cette courbure.

Quel est l'intérêt de cette méthode alors ? Et bien... aucun. Cet article était une blague ! *défilement du générique*

Non je plaisante, restez... et vous connaitrez le secret de la microlentille ! Ok... alors voilà l'intérêt de la microlentille gravitationnelle : 

C'est comme lorsque vous utilisez une loupe pour concentrer la lumière du Soleil sur une foumie. L'intensité lumineuse va fortement augmenter en un point pendant aussi longtemps que la lentille de la loupe et le Soleil demeurent alignés. C'est en fait exactement la même mécanique pour la microlentille gravitationnelle, la seule différence est que l'on échange la loupe par une exoplanète, et que la fourmie, c'est nous (avec nos télescopes, sur la Terre).

Illustration

Courbe de lumière de l'étoile KMT-2018-BLG-0357 (Source : Microlentille gravitationnelle des Naines-brunes)

 

Ainsi, en mesurant la quantité de lumière nous parvenant de l'étoile, une soudaine augmentation du flux sera captée ! Cette augmentation de luminosité s'effectue de manière transitoire sur quelques minutes ou plusieurs jours (dépendemment de l'exoplanète et de son orbite autour de l'étoile). C'est donc l'analyse de la courbe de lumière de l'étoile qui dévoilera l'existence d'une exoplanète en orbite, exactement comme pour la méthode du transit, sauf que dans ce cas il ne s'agit pas d'une diminution de luminosité dû au passage de l'exoplanète devant son étoile, mais bien d'une augmentation de luminosité dû à la concentration de la lumière par effet de microlentille gravitationnelle.

 

Illustration

Schéma du phénomène de la lentille gravitationnelle appliqué aux galaxies (Source : ESA)

 

La première exoplanète découverte avec cette méthode remonte à 2006. Depuis, moins d'une dizaine de mondes sont découverts chaque année de cette manière, soit moins de 140 aujourd'hui, ce qui fait seulement 2,7% de toutes les exoplanètes découvertes à ce jour. Cela s'explique de par le fait que l'observation d'une microlentille causée par le champ gravitationnel d'une exoplanète est extrêmement improbable (0,0001% de chance pour chaque étoile). Il s'agit malgré tout de la troisième méthode de détection d'exoplanète en nombre de découvertes (mais très loin derrière la méthode des transits et celle des vitesses radiales). Le nombre de découvertes annuelles étant assez constant (à peine 1 exoplanète de plus chaque année) depuis une dizaine d'annéee, cette méthode ne semble pas progresser rapidement ou ne succite en tout cas pas encore un grand engoument chez les chercheurs (contrairement aux détections et analyses par transit).

 

Nous avons étudiés l'origine, la nature et le potentiel futur du phénomène de la lentille gravitationnelle. Cette méthode de détection montre ses limites dans la découverte de nouvelles exoplanètes... mais peut-être sera-t'elle malgré tout déterminante pour la découverte d'objets encore inconnus autour d'autres structures stellaires massives ? Quoiqu'il en soit, un phénomène aussi puissant permettant de courber la lumière par la gravité trouvera surement une utilité d'une autre nature dans l'avenir, d'où l'utilité d'en avoir expliqué les principes aujourd'hui !

À bientôt dans l'espace !



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