Simulation interactive de lentille gravitationnelle : déplacez un objet massif pour courber l'espace-temps et observer les anneaux d'Einstein, les images multiples et les distorsions en arc
La Théorie de la Relativité Générale d'Einstein prédit que les objets massifs courbent l'espace-temps autour d'eux. Lorsque la lumière d'une source distante passe près d'un objet massif au premier plan (la lentille), sa trajectoire est déviée par la courbure. L'angle de déviation pour un rayon lumineux passant à un paramètre d'impact ξ d'une masse ponctuelle M est α = 4GM/(c²ξ), exactement le double de la prédiction newtonienne — confirmé par l'expédition d'Eddington lors de l'éclipse solaire de 1919. Cette déviation produit trois effets observables clés : (1) Images multiples — la source peut apparaître à plusieurs positions autour de la lentille. (2) Magnification — les images sont amplifiées ou atténuées par la concentration/dispersion des rayons lumineux. (3) Distorsion — les images sont étirées tangentiellement en arcs. Le rayon d'Einstein θ_E = √(4GM D_LS / (c² D_L D_S)) fixe l'échelle angulaire de l'effet de lentille, où D_L, D_S, D_LS sont les distances de diamètre angulaire à la lentille, à la source et de la lentille à la source.
Lorsque la source, la lentille et l'observateur sont parfaitement alignés, la source apparaît comme un anneau complet — l'anneau d'Einstein — avec un rayon angulaire θ_E. Pour une lentille galactique typique à z_L ~ 0,5 et une source à z_S ~ 2, θ_E ~ 1 arcseconde. Lorsque l'alignement est légèrement décalé, l'anneau se brise en deux arcs de côtés opposés. Pour une source proche d'une caustique de pli, quatre images peuvent se former selon un motif en croix — la Croix d'Einstein (Q2237+0305, découverte en 1985). La configuration des images dépend de la position de la source par rapport aux caustiques de la lentille : à l'intérieur de la caustique tangentielle, 4 images se forment (ou un anneau) ; à l'extérieur, 2 images se forment (ou 1 si la source est éloignée de la lentille). La magnification diverge aux caustiques (mathématiquement infinie pour une source ponctuelle ; en réalité, la taille finie de la source et la distribution de masse étendue la limitent).
Cartographie de la matière noire : la lentille gravitationnelle dévie la lumière indépendamment du fait que la lentille soit visible ou sombre, ce qui en fait la sonde la plus directe de la distribution de matière noire. Les surveys de lentille faible (DES, KiDS, Euclid) mesurent de petites distorsions cohérentes sur des millions de galaxies pour cartographier la structure à grande échelle. La lentille forte par les amas de galaxies produit des arcs spectaculaires et des images multiples, révélant les profils de masse des amas. Détection d'exoplanètes : la microlentille se produit lorsqu'une étoile de premier plan passe devant une étoile d'arrière-plan, la magnifiant temporairement. Si l'étoile de premier plan possède une planète, la courbe de lumière présente une bosse supplémentaire brève — plus de 200 exoplanètes ont été découvertes de cette façon. Cosmologie : les délais temporels entre images multiples (par exemple, le projet H0LiCOW) mesurent la constante de Hubble H₀ de manière indépendante. Évolution des galaxies : la magnification par lentille agit comme un télescope naturel, permettant l'observation de galaxies autrement trop faibles dans l'univers primordial (par exemple, le JWST utilisant les lentilles d'amas). Tests de la gravité : comparer la masse de lentille avec la masse aux rayons X/dynamique teste la Relativité Générale à l'échelle galactique.
Le canevas affiche une grille de fond distante (représentant un plan source) déformée par la lentille gravitationnelle au centre. Faites glisser la masse de lentille jaune pour la déplacer et observez la distorsion qui la suit. Ajustez le curseur de Masse de la Lentille pour modifier le rayon d'Einstein — une masse plus élevée produit une déviation plus forte et un anneau plus grand. Le curseur de Distance de la Source ajuste la distance du plan source, affectant le rayon d'Einstein (les sources plus proches sont moins lentillées). Commencez par le préréglage Alignement Parfait : la lentille est placée directement sur la source, produisant un anneau d'Einstein complet. Essayez Léger Décalage pour voir l'anneau se briser en deux arcs. Arc Géant montre une lentille très massive avec la source près de la caustique. Croix d'Einstein illustre la formation de quatre images. Activez Grille de Fond pour voir la déformation du plan source, Galaxie Source pour montrer une source circulaire se déformant en arcs, Rayons Lumineux pour tracer les trajectoires des photons de la source à l'observateur, et Anneau d'Einstein pour superposer le rayon théorique de l'anneau.