Source: The Conversation – in French – By Ruth Lazkoz, Catedrática de Física Teórica, Universidad del País Vasco / Euskal Herriko Unibertsitatea
L’ESSENTIEL
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La gravité peut dévier la lumière : une éclipse de Soleil permet d’observer directement cet effet prédit par Einstein.
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Cette déviation est à l’origine des effets de lentille gravitationnelle, qui révèlent la matière noire et les régions les plus lointaines de l’Univers.
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La première confirmation de ce phénomène, en 1919, a marqué un tournant majeur de la physique moderne.
Lever les yeux vers le ciel est un excellent moyen de prendre conscience de la gravité. On en perçoit facilement les effets sur les corps dotés d’une masse lorsqu’on suit la trajectoire d’un ballon ou que l’on se représente l’orbite d’une planète.
Mais, fait plus surprenant, la gravité agit aussi sur ce qui n’a pas de masse au repos : la lumière. Elle est même capable de dévier sa trajectoire. La prochaine éclipse de Soleil, le 12 août, nous permettra bientôt d’observer directement cet étonnant phénomène.
Les photons suivent une trajectoire imposée
Les insaisissables particules qui composent la lumière, les photons, n’échappent pas à l’action de la gravité. La raison en est, comme l’a montré Einstein, que la gravité est la manifestation de la courbure de l’espace-temps. Cette courbure est produite et accentuée par la masse et l’énergie contenues dans la trame même de l’Univers.
Cette courbure oblige toutes les particules à suivre des trajectoires qui ne sont plus tout à fait rectilignes, comme si elles circulaient sur des rails : les géodésiques. Ces lignes « épousent » la courbure de l’espace-temps afin que les particules empruntent le chemin le plus efficace possible.
Fait remarquable, la gravité est capable de dévier n’importe quel photon. Ce phénomène ouvre un vaste champ de possibilités en astrophysique. Nous nous intéresserons ici à la lumière visible.
Le trajet de la lumière depuis une étoile lointaine
Imaginons un photon émis par une étoile lointaine qui, par chance, parvient jusqu’à nous sans rencontrer le moindre obstacle. Rien d’improbable à cela : l’espace entre les étoiles est en moyenne dix mille milliards de fois moins dense que notre atmosphère. Surtout, l’Univers regorge d’un nombre inimaginable de sources lumineuses. Pour ces deux raisons, une quantité colossale de photons peuvent parcourir des années-lumière – soit des milliers de milliards de kilomètres – sans être perturbés.
Le photon peut terminer son voyage dans un télescope de pointe utilisé pour des recherches astronomiques complexes. Mais il peut tout aussi bien atteindre notre œil nu.
Imaginons maintenant une étoile qui nous envoie, chaque nuit, des photons directement dans notre direction. Comme toute source lumineuse, elle émet de la lumière dans toutes les directions. Pourtant, une infime déviation angulaire, une ouverture minuscule, suffirait à envoyer un photon vers une autre région de l’Univers : il ne nous atteindrait jamais. Cette étoile deviendrait alors invisible à nos yeux.
Mais que se passerait-il si la gravité parvenait à corriger cette légère déviation et à infléchir la trajectoire du photon ?
Pour que cela se produise, le photon doit passer à proximité d’une concentration de masse suffisamment dense et compacte. L’effet donne l’impression qu’un corps très massif « attire » la lumière, comme s’il exerçait une force. En réalité, comme nous l’avons vu, ce n’est pas une force qui dévie le photon, mais la courbure de l’espace-temps. Dans le cas de la prochaine éclipse de Soleil, cette concentration de masse est… le Soleil lui-même.
Un prérequis : l’obscurité
Il est évident que, pour bien observer les étoiles, nous avons besoin d’un ciel sombre, ce qui est généralement le cas la nuit. À ce moment-là, le Soleil ne se trouve pas sur la ligne de visée qui nous relie à l’étoile que nous souhaitons observer. La lumière qui nous parvient de cette étoile n’a donc, en principe, pas été déviée par la masse du Soleil. Elle a simplement suivi l’une de ces trajectoires relativistes qui remplacent les lignes droites.
Peut-on alors réunir ces deux conditions, c’est-à-dire avoir le Soleil devant nous tout en conservant un ciel suffisamment sombre ?
Oui, c’est possible ! C’est même précisément ce qui se produit lors d’une éclipse de Soleil. En s’interposant avec une précision remarquable entre le Soleil et la Terre, la Lune assombrit suffisamment le ciel pour permettre d’observer la position apparente et momentanée d’une étoile et d’en mesurer le décalage. On peut ainsi démontrer que sa lumière a bien été déviée. Pour y parvenir, une étape préalable est toutefois indispensable : connaître la position de l’étoile avant l’éclipse.
Nous savons déjà qu’il est très difficile de déterminer, en plein jour, la position d’une source lumineuse comme une étoile. Sa lumière est tout simplement noyée dans celle du Soleil. Il faut donc mesurer sa position habituelle de nuit, puis la « retrouver » pendant l’éclipse. Naturellement, cette première mesure est réalisée au préalable, lors d’une nuit offrant de bonnes conditions d’observation astronomique.
Ce qui se passe pendant l’éclipse
Pendant l’éclipse, notre étoile, en raison de sa masse considérable, courbe l’espace-temps dans son voisinage. Cette courbure oblige le photon provenant de l’étoile située derrière le Soleil à suivre une trajectoire en arc de cercle. Mais notre œil ignore que ce photon vient de derrière le Soleil : il interprète sa trajectoire comme si elle avait été rectiligne, à l’image de celle de tout autre quantum de lumière. L’astronome – amateur ou professionnel – chargé de cartographier la position de cette étoile conclura donc qu’elle est légèrement décalée par rapport à sa position habituelle.
Il faut garder à l’esprit que tous les photons peuvent voir leur trajectoire déviée lorsqu’ils passent à proximité d’un objet massif et compact. C’est sur ce phénomène, appelé « effet de lentille gravitationnelle », que repose une part essentielle de l’astrophysique moderne.
Les effets de lentille gravitationnelle ne se contentent pas de déplacer, voire de dédoubler l’image de galaxies ou d’étoiles : ils révèlent aussi la manière dont la matière est répartie dans l’Univers, y compris la matière noire. Ils agissent en outre comme d’immenses télescopes cosmiques, grossissant les régions les plus lointaines de l’Univers. Grâce à eux, nous pouvons observer des objets qui resteraient autrement invisibles et remonter jusqu’aux premiers âges de l’Univers.
La première observation, il y a plus d’un siècle, montrant lors d’une éclipse que la déviation de la lumière correspondait parfaitement aux prédictions d’Einstein, a constitué un véritable moment de stupeur et marqué le début d’une révolution scientifique. Lors de la prochaine éclipse totale de Soleil, en août 2026, ce sera à notre tour d’écrire un nouveau chapitre de cette histoire, faite d’éclipses et de fascinants jeux de lumière.
Ruth Lazkoz a reçu des financements du ministère espagnol de la Science, de l’Innovation et des Universités, ainsi que du gouvernement basque.
– ref. Comment l’éclipse permettra d’observer le Soleil dévier la lumière des étoiles – https://theconversation.com/comment-leclipse-permettra-dobserver-le-soleil-devier-la-lumiere-des-etoiles-288985