Tout dans l’univers a de la gravité – et la ressent aussi. Cependant, cette force fondamentale la plus courante présente également le plus grand défi pour les physiciens. La théorie de la relativité générale d’Albert Einstein a remarquablement réussi à décrire la gravité des étoiles et des planètes, mais elle ne semble pas s’appliquer parfaitement à toutes les échelles.

La relativité générale a traversé des années de tests d’observation depuis les mesures d’Eddington. (s’ouvrira dans un nouvel onglet) de la déviation de la lumière des étoiles par le Soleil en 1919 à la découverte récente des ondes gravitationnelles (s’ouvrira dans un nouvel onglet). Cependant, des lacunes dans notre compréhension commencent à apparaître lorsque nous essayons de l’appliquer aux distances extrêmement petites où s’appliquent les lois de la mécanique quantique. (s’ouvrira dans un nouvel onglet)ou lorsque nous essayons de décrire l’univers entier.

Notre nouvelle étude, publiée dans la revue Nature Astronomy. (s’ouvrira dans un nouvel onglet), a maintenant testé la théorie d’Einstein à la plus grande échelle. Nous pensons que notre approche pourrait un jour aider à résoudre certains des plus grands mystères de la cosmologie, et les résultats suggèrent que la relativité générale devra peut-être être modifiée à cette échelle.

Mauvais modèle ?

La théorie quantique prédit que l’espace vide, le vide, est rempli d’énergie. Nous ne remarquons pas sa présence car nos instruments ne peuvent mesurer que les changements d’énergie, pas sa quantité totale.

Cependant, selon Einstein, l’énergie du vide a une gravité répulsive – elle écarte l’espace vide. Fait intéressant, en 1998, on a découvert que l’expansion de l’univers s’accélérait (cette découverte a reçu le prix Nobel de physique 2011). (s’ouvrira dans un nouvel onglet)). Cependant, la quantité d’énergie du vide, ou d’énergie noire comme on l’appelle, nécessaire pour expliquer l’accélération est inférieure de plusieurs ordres de grandeur à ce que prédit la théorie quantique.

Par conséquent, la grande question, surnommée le « vieux problème de la constante cosmologique », est de savoir si l’énergie du vide gravite réellement, exerçant une force gravitationnelle et modifiant l’expansion de l’univers.

Si oui, pourquoi sa gravité est-elle tellement plus faible qu’on ne le pense ? Si le vide ne gravite pas du tout, qu’est-ce qui cause l’accélération cosmique ?

Nous ne savons pas ce qu’est l’énergie noire, mais nous devons supposer qu’elle existe pour expliquer l’expansion de l’univers. De même, nous devons également supposer qu’il existe un type de matière invisible, appelée matière noire, afin d’expliquer comment les galaxies et les amas ont évolué comme nous les voyons aujourd’hui.

Ces hypothèses sont intégrées à la théorie cosmologique standard des scientifiques, appelée Lambda Cold Dark Matter Model (LCDM), qui suggère que l’espace contient 70 % d’énergie noire, 25 % de matière noire et 5 % de matière ordinaire. Et ce modèle a étonnamment réussi à s’accorder avec toutes les données recueillies par les cosmologistes au cours des 20 dernières années.

Mais le fait qu’une grande partie de l’univers soit composée de forces obscures et de choses qui prennent des valeurs étranges et dénuées de sens a conduit de nombreux physiciens à se demander si la théorie de la gravité d’Einstein doit être modifiée pour décrire l’univers entier.

Il y a quelques années, une nouvelle tournure s’est produite lorsqu’il est devenu évident que différentes façons de mesurer le taux d’expansion cosmique, appelée constante de Hubble, donnaient des réponses différentes – un problème connu sous le nom de tension de Hubble. (s’ouvrira dans un nouvel onglet).

Un désaccord ou une tension apparaît entre deux valeurs de la constante de Hubble. L’un est le nombre prédit par le modèle cosmologique LCDM, qui a été conçu pour correspondre à la lumière laissée par le Big Bang. (s’ouvrira dans un nouvel onglet) (rayonnement de fond cosmique des micro-ondes). L’autre est le taux d’expansion, mesuré en observant des étoiles explosives appelées supernovae dans des galaxies lointaines.

Fond de micro-ondes de l’espace. (Crédit image : NASA)

De nombreuses idées théoriques ont été proposées sur les moyens de modifier le LCDM pour expliquer la tension de Hubble. Parmi elles se trouvent des théories alternatives de la gravité.

Chercher des réponses

Nous pouvons développer des tests pour voir si l’univers obéit aux règles de la théorie d’Einstein. La relativité générale décrit la gravité comme la courbure ou la déformation de l’espace et du temps, la déformation des chemins le long desquels la lumière et la matière voyagent. Surtout, il prédit que les trajectoires des rayons lumineux et de la matière devraient se plier sous la force de gravité de la même manière.

Avec une équipe de cosmologistes, nous avons testé les lois fondamentales de la relativité générale. Nous avons également exploré si la modification de la théorie d’Einstein pouvait aider à résoudre certains problèmes ouverts en cosmologie, tels que la tension de Hubble.

Pour savoir si la relativité générale est vraie à grande échelle, nous avons décidé pour la première fois d’en explorer trois aspects simultanément. Il s’agissait de l’expansion de l’univers, de l’effet de la gravité sur la lumière et de l’effet de la gravité sur la matière.

En utilisant une technique statistique connue sous le nom d’inférence bayésienne, nous avons reconstruit la gravité de l’univers à travers l’histoire cosmique dans un modèle informatique basé sur ces trois paramètres. Nous avons pu estimer les paramètres en utilisant les données de fond cosmique des micro-ondes de Planck, les catalogues de supernova et les observations SDSS de la forme et de la distribution des galaxies lointaines. (s’ouvrira dans un nouvel onglet) et DES (s’ouvrira dans un nouvel onglet) télescopes. Nous avons ensuite comparé notre reconstruction avec la prédiction du modèle LCDM (essentiellement le modèle d’Einstein).

Nous avons trouvé des indices intéressants d’une éventuelle divergence avec la prédiction d’Einstein, bien qu’avec une signification statistique plutôt faible. Cela signifie que, néanmoins, il est possible que la gravité fonctionne différemment à grande échelle et que la relativité générale doive être modifiée.

Notre étude a également montré qu’il est très difficile de résoudre le problème de tension de Hubble simplement en changeant la théorie de la gravité. Une solution complète nécessitera probablement un nouveau composant du modèle cosmologique qui existait avant le moment où les protons et les électrons se sont combinés pour former de l’hydrogène juste après le Big Bang, comme une forme spéciale de matière noire, un type précoce d’énergie noire, ou champs magnétiques primordiaux. Ou peut-être y a-t-il un biais encore inconnu dans les données.

Cependant, notre étude a montré qu’il est possible de tester la validité de la relativité générale à des distances cosmologiques en utilisant des données d’observation. Bien que nous n’ayons pas encore résolu le problème de Hubble, dans quelques années nous aurons beaucoup plus de données provenant de nouvelles sondes.

Cela signifie que nous pourrons utiliser ces méthodes statistiques pour continuer à affiner la relativité générale, pour explorer les limites de la modification, pour ouvrir la voie à la résolution de certains des problèmes ouverts en cosmologie.

Cet article est republié de The Conversation (s’ouvrira dans un nouvel onglet) sous licence Creative Commons. Lire l’article original (s’ouvrira dans un nouvel onglet).