Tout dans le l’univers a de la gravité – et la ressent aussi. Pourtant, cette force fondamentale la plus courante est aussi celle qui pose les plus grands défis aux physiciens. La théorie de la relativité générale d’Albert Einstein a remarquablement réussi à décrire la gravité des étoiles et des planètes, mais il ne semble pas s’appliquer parfaitement à toutes les échelles.
Relativité générale a passé de nombreuses années de tests d’observation, de La mesure d’Eddington de la déviation de la lumière des étoiles par le Soleil en 1919 vers le détection récente d’ondes gravitationnelles. Cependant, des lacunes dans notre compréhension commencent à apparaître lorsque nous essayons de l’appliquer à des distances extrêmement petites, où les lois de la mécanique quantique opèrentou lorsque nous essayons de décrire l’univers entier.
Notre nouvelle étude, Publié dans Astronomie naturellea maintenant testé d’Einstein théorie à la plus grande des échelles. 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 théorie de la relativité générale devra peut-être être modifiée à cette échelle.
Un problème quantique
La théorie quantique prédit que l’espace, le vide, est rempli d’énergie. Nous ne remarquons pas sa présence car nos appareils ne peuvent mesurer que les changements d’énergie plutôt que 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 (une découverte récompensée par le Prix Nobel de physique 2011). Cependant, la quantité d’énergie du vide, ou d’énergie noire comme on l’a appelée, nécessaire pour expliquer l’accélération est inférieure de plusieurs ordres de grandeur à ce que prédit la théorie quantique.
D’où la grande question, surnommée “l’ancien problème de la constante cosmologique”, est de savoir si l’énergie du vide gravite – exerçant une force gravitationnelle et modifiant l’expansion de l’univers.
Si oui, alors pourquoi sa gravité est-elle tellement plus faible que prévu ? 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 présence de matière invisible, appelée matière noire, pour expliquer comment les galaxies et les amas ont évolué pour devenir la façon dont nous les observons aujourd’hui.
Ces hypothèses sont intégrées dans la théorie cosmologique standard des scientifiques, appelée modèle lambda de matière noire froide (LCDM) – suggérant 70% d’énergie noire, 25% de matière noire et 5% de matière ordinaire dans le cosmos. Et ce modèle a remarquablement réussi à ajuster toutes les données recueillies par les cosmologistes au cours des 20 dernières années.
Mais le fait que la majeure partie de l’univers soit composée de forces et de substances obscures, prenant des valeurs étranges qui n’ont pas de sens, a incité de nombreux physiciens à se demander si la théorie de la gravité d’Einstein avait besoin d’être modifiée pour décrire l’univers entier.
Une nouvelle tournure est apparue il y a quelques années lorsqu’il est devenu évident que différentes façons de mesurer le taux d’expansion cosmique, surnommé la constante de Hubble, donnent des réponses différentes – un problème connu sous le nom de la tension de Hubble.
Le désaccord, ou la tension, se situe entre deux valeurs de la constante de Hubble. L’un est le nombre prédit par le modèle cosmologique LCDM, développé pour correspondre la lumière laissée par le Big Bang (le rayonnement de fond cosmique des micro-ondes). L’autre est le taux d’expansion mesuré en observant des étoiles explosives appelées supernovas dans des galaxies lointaines.
De nombreuses idées théoriques ont été proposées pour modifier LCDM afin d’expliquer la tension de Hubble. Parmi elles se trouvent des théories gravitationnelles alternatives.
Chercher des réponses
Nous pouvons concevoir des tests pour vérifier 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, courbant les voies le long desquelles la lumière et la matière voyagent. Surtout, il prédit que les trajectoires des rayons lumineux et de la matière devraient être courbées par la gravité de la même manière.
Avec une équipe de cosmologistes, nous avons mis à l’épreuve les lois fondamentales de la relativité générale. Nous avons également exploré si la modification de la théorie d’Einstein pouvait aider à résoudre certains des problèmes ouverts de la cosmologie, tels que la tension de Hubble.
Pour déterminer si la relativité générale est correcte à grande échelle, nous avons entrepris, pour la première fois, d’en étudier simultanément trois aspects. Il s’agissait de l’expansion de l’univers, des effets de la gravité sur la lumière et des effets de la gravité sur la matière.
En utilisant une méthode 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 diffus cosmologique du satellite Planck, les catalogues de supernova et les observations des formes et de la distribution des galaxies lointaines par le SDSS et DES télescopes. Nous avons ensuite comparé notre reconstruction à la prédiction du modèle LCDM (essentiellement le modèle d’Einstein).
Nous avons trouvé des indices intéressants d’une possible inadéquation avec la prédiction d’Einstein, bien qu’avec une signification statistique plutôt faible. Cela signifie qu’il existe néanmoins une possibilité que la gravité fonctionne différemment à grande échelle et que la théorie de la relativité générale doive être modifiée.
Notre étude a également révélé qu’il est très difficile de résoudre le problème de tension de Hubble en ne modifiant que la théorie de la gravité. La solution complète nécessiterait probablement un nouvel ingrédient dans le modèle cosmologique, présent 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, il y a une erreur systématique encore inconnue dans les données.
Notre étude a démontré qu’il est possible de tester la validité de la relativité générale sur des distances cosmologiques en utilisant des données d’observation. Bien que nous n’ayons pas résolu le problème de Hubble, nous aurons plus de données provenant de nouvelles sondes dans quelques années.
Cela signifie que nous pourrons utiliser ces méthodes statistiques pour continuer à peaufiner la relativité générale, explorer les limites des modifications, ouvrir la voie à la résolution de certains des défis ouverts en cosmologie.
Cet article a été initialement publié le La conversation par Kazuya Koyama et Levon Pogosian à l’Université de Portsmouth et à l’Université Simon Fraser. Lis le article original ici.
