On ne peut nier l’impressionnant pouvoir prédictif de la théorie de la gravité d’Albert Einstein de 1915, la relativité générale. Pourtant, la théorie présente encore des incohérences lorsqu’il s’agit de calculer son effet sur de grandes distances. Et de nouvelles recherches suggèrent que ces incohérences pourraient être le résultat d’un « problème cosmique » dans la gravité elle-même.
Au cours des 109 années qui ont suivi sa première formulation, la relativité générale est restée notre meilleure description de la gravité à l’échelle galactique ; À maintes reprises, les expériences ont confirmé son exactitude. Cette théorie a également été utilisée pour prédire des aspects de l’univers qui seraient ensuite confirmés par l’observation. Cela inclut le Big Bang, l’existence de trous noirs, la lentille gravitationnelle de la lumière et de minuscules ondulations dans l’espace-temps appelées ondes gravitationnelles.
Pourtant, à l’instar de la théorie newtonienne de la gravité qu’elle a surpassée, la relativité générale ne nous offre peut-être pas une image complète de cette force énigmatique.
“Ce modèle de gravité a été essentiel pour tout, depuis la théorie du Big Bang jusqu’à la photographie des trous noirs”, a déclaré Robin Wen, du Mathematical Physics Orogram de l’Université de Waterloo, dans un communiqué. “Mais lorsque nous essayons de comprendre la gravité à l’échelle cosmique, à l’échelle des amas de galaxies et au-delà, nous rencontrons des incohérences apparentes avec les prédictions de la relativité générale.”
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“La gravité devient environ un pour cent plus faible lorsqu’on traite des distances de l’ordre de milliards d’années-lumière”, a déclaré Wen. « Nous appelons cette incohérence un « problème cosmique ». C’est presque comme si la gravité elle-même ne correspondait plus parfaitement à la théorie d’Einstein. »
Le problème cosmique décrit par l’équipe nécessiterait une modification d’une valeur appelée constante gravitationnelle. Cette altération se produirait à mesure que les calculs se rapprocheraient du « superhorizon », ou de la distance maximale que la lumière aurait pu parcourir depuis l’origine de l’univers.
Cet ajustement peut être effectué, selon l’équipe, en ajoutant une seule extension au modèle cosmologique standard. Ce modèle est connu sous le nom de modèle de matière noire froide lambda. Une fois terminé, l’amendement devrait éliminer les incohérences dans les mesures aux échelles cosmologiques sans affecter les utilisations réussies existantes de la relativité générale.
Qu’est-ce que la relativité générale et pourrait-elle être fausse ?
La découverte de la relativité générale a été si révolutionnaire parce que, plutôt que de décrire la gravité comme une force mystérieuse, elle postulait que la gravité découlait de la courbure du tissu même de l’espace et du temps, unis en une seule entité appelée « espace-temps ». Et cette courbure, réalisa Einstein, est façonnée par des objets ayant une masse.
Imaginez placer des balles de masse croissante sur une feuille de caoutchouc étirée. Une balle de tennis provoquerait une petite entaille presque imperceptible ; une balle de cricket créerait une bosse plus prononcée ; et une boule de bowling provoquerait une énorme courbe qui attirerait probablement tout ce qui se trouve sur la feuille vers elle. C’est le même concept avec les objets dans l’espace, bien que la courbure de l’espace-temps existe en quatre dimensions, il existe donc des différences assez importantes. Pourtant, les lunes ont moins de masse que les planètes, les planètes moins que les étoiles et les étoiles moins que les galaxies — ainsi, les influences gravitationnelles de ces corps célestes augmentent respectivement.
La théorie de la gravité d’Einstein était comme un successeur de la théorie newtonienne, même si cette dernière fonctionne toujours assez bien à l’échelle terrestre et est suffisamment précise pour envoyer des fusées vers la Lune. Pourtant, la théorie d’Einstein pourrait expliquer des choses que celle de Newton ne pouvait pas expliquer, comme l’orbite bizarre de Mercure autour du soleil.
Newton n’était pas exactement faux à propos de la gravité – il n’avait tout simplement pas raison à l’échelle des planètes, des étoiles et des galaxies.
Les objets ayant une masse, dans cette illustration les galaxies, déforment le tissu même de l’espace-temps, donnant naissance à la gravité. (Crédit image : NASA/JPL-Caltech)
Mais la relativité générale est-elle fausse ?
Eh bien, probablement pas. En tant que théorie, elle a été trop précise dans la prédiction d’aspects de l’univers que nous ignorions. Par exemple, la première image d’un trou noir capturée par le télescope Event Horizon a été révélée au public en avril 2019. Cette image était assez choquante en raison de la façon dont l’apparence du trou noir supermassif M87* ressemblait aux prédictions de la relativité générale.
Cependant, les scientifiques sont conscients que la relativité générale présente quelques problèmes qui pourraient nécessiter une éventuelle révision. Par exemple, la théorie ne s’unit pas à la mécanique quantique ; la meilleure description que nous ayons de la physique à des niveaux fondamentaux plus petits que l’atome. C’est principalement parce qu’il n’existe actuellement aucune théorie quantique pour décrire la gravité.
Il semble donc que des ajustements à la relativité générale, à un moment donné, pour « étendre » sa portée aux plus petites échelles de l’univers – et selon cette équipe, aux plus vastes échelles – semblent inévitables.
Depuis des décennies, les chercheurs tentent de créer un modèle mathématique qui aide la relativité générale à surmonter ses incohérences, et les mathématiciens appliqués et les astrophysiciens de l’Université de Waterloo sont profondément engagés dans cette quête.
(À gauche) observation du trou noir M87* en lumière polarisée (à droite) une simulation d’un trou noir créé par relativité générale (Crédit image : collaboration EHT)
Changer la relativité générale ? Quoi!
Si l’idée de réviser la relativité générale semble équivaloir à une hérésie, considérez que ce ne serait pas la première fois que les théories qui y sont associées devraient être ajustées.
Peu de temps après qu’Einstein ait introduit cette théorie pour la première fois, lui et d’autres l’ont développée pour développer une équation décrivant l’état de l’univers. Grâce à la relativité générale, cette équation prédisait que l’univers devrait changer. Le problème était que le consensus scientifique de l’époque affirmait que l’univers était statique. Et, même si Einstein n’était pas étranger à bouleverser le statu quo, il se trouvait être d’accord avec cette image cosmique immuable.
Pour garantir que la relativité générale prédisait un univers statique, Einstein a ajouté un « facteur de fudge » qu’il a décrit plus tard comme sa « plus grande erreur ». C’est ce qu’on appelle la constante cosmologique et est représentée par la lettre grecque lambda. La constante disparaîtrait de la pensée lorsqu’Edwin Hubble convaincra Einstein que l’univers n’est pas statique. C’est en expansion, a-t-il soutenu. Et autant que nous le sachions aujourd’hui, Hubble avait effectivement raison.
Lambda, cependant, ferait effectivement son retour. Il a commencé à remplir une fonction différente à la fin du 20e siècle, lorsque les astronomes ont découvert que non seulement l’univers était en expansion, mais qu’il le faisait à un rythme accéléré.
Une illustration de la constante cosmologique (lambda) rejetée (ou peut-être sauvée) de la poubelle cosmique. (Crédit image : Robert Léa)
“Il y a près d’un siècle, les astronomes ont découvert que notre univers était en expansion”, a déclaré Niayesh Afsharid, professeur d’astrophysique à l’Université de Waterloo et chercheur à l’Institut Périmètre, dans le communiqué. “Plus les galaxies sont éloignées, plus elles se déplacent rapidement, au point qu’elles semblent se déplacer presque à la vitesse de la lumière, le maximum autorisé par la théorie d’Einstein. Nos résultats suggèrent qu’à ces mêmes échelles, la théorie d’Einstein peut également être insuffisant.”
La suggestion de l’équipe de l’Université de Waterloo d’un « problème cosmique » modifie la gravité à de grandes distances et étend les formules mathématiques d’Einstein pour résoudre ce problème sans pour autant « renverser » la théorie.
“Considérez-le comme une note de bas de page de la théorie d’Einstein”, a déclaré Wen. “Une fois que vous atteignez une échelle cosmique, les termes et conditions s’appliquent.”
Les chercheurs à l’origine de cette théorie du problème cosmique suggèrent que les observations futures de la structure à grande échelle de l’univers et d’un champ de rayonnement « fossile » universel appelé fond diffus cosmologique (CMB) provenant d’un événement survenu peu après le Big Bang pourraient éclairer sur la question de savoir si un problème cosmique dans la gravité est responsable des « tensions cosmiques » actuelles.
Cela pourrait inclure la raison pour laquelle la théorie quantique donne une valeur pour lambda qui est un facteur stupéfiant de 10¹²¹ (10 suivi de 120 zéros) supérieure à ce que semblent montrer les observations astronomiques (pas étonnant que certains physiciens l’appellent « la pire prédiction théorique de l’histoire de l’humanité »). la physique!”).
“Ce nouveau modèle pourrait bien être le premier indice d’un puzzle cosmique que nous commençons à résoudre à travers l’espace et le temps”, a conclu Afshordi.
Les recherches de l’équipe apparaissent dans le Journal de cosmologie et de physique des astroparticules.
2024-05-03 23:00:01
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