L’une des plus grandes énigmes de l’astrophysique pourrait-elle être résolue en retravaillant la théorie de la gravité d’Albert Einstein ? Une nouvelle étude co-écrite par des scientifiques de la NASA dit que non.
L’univers s’étend à un rythme accéléré, et les scientifiques ne savent pas pourquoi. Ce phénomène semble contredire tout ce que les chercheurs comprennent de l’effet de la gravité sur le cosmos : c’est comme si vous jetiez une pomme en l’air et qu’elle continuait à monter, de plus en plus vite. La cause de l’accélération, appelée énergie noire, reste un mystère.
Une nouvelle étude de l’International Dark Energy Survey, utilisant le télescope Victor M. Blanco de 4 mètres au Chili, marque le dernier effort pour déterminer s’il s’agit simplement d’un malentendu : que les attentes concernant le fonctionnement de la gravité à l’échelle de l’univers entier sont défectueux ou incomplets. Ce malentendu potentiel pourrait aider les scientifiques à expliquer l’énergie noire. Mais l’étude – l’un des tests les plus précis à ce jour de la théorie de la gravité d’Albert Einstein à l’échelle cosmique – révèle que la compréhension actuelle semble toujours correcte.
Les résultats, rédigés par un groupe de scientifiques dont certains du Jet Propulsion Laboratory de la NASA, ont été présentés le mercredi 23 août à la Conférence internationale sur la physique des particules et la cosmologie (COSMO’22) à Rio de Janeiro. Le travail aide à préparer le terrain pour deux télescopes spatiaux à venir qui sonderont notre compréhension de la gravité avec une précision encore plus élevée que la nouvelle étude et peut-être enfin résoudre le mystère.
Il y a plus d’un siècle, Albert Einstein développait son Théorie de la relativité générale pour décrire la gravité, et jusqu’à présent, il a tout prédit avec précision, de l’orbite de Mercure à l’existence de trous noirs. Mais si cette théorie ne peut pas expliquer l’énergie noire, selon certains scientifiques, alors peut-être qu’ils doivent modifier certaines de ses équations ou ajouter de nouveaux composants.
Pour savoir si c’est le cas, les membres du Dark Energy Survey ont cherché des preuves que la force de la gravité a varié tout au long de l’histoire de l’univers ou sur des distances cosmiques. Une découverte positive indiquerait que la théorie d’Einstein est incomplète, ce qui pourrait aider à expliquer l’accélération de l’expansion de l’univers. Ils ont également examiné les données d’autres télescopes en plus de Blanco, y compris le satellite Planck de l’ESA (Agence spatiale européenne), et sont parvenus à la même conclusion.
Cette vidéo explique le phénomène appelé lentille gravitationnelle, qui peut faire apparaître des images de galaxies déformées ou tachées. Cette distorsion est causée par la gravité, et les scientifiques peuvent utiliser cet effet pour détecter la matière noire, qui n’émet ni ne réfléchit la lumière. Crédit : Centre de vol spatial Goddard de la NASA
L’étude révèle que la théorie d’Einstein fonctionne toujours. Donc pas encore d’explication pour l’énergie noire. Mais cette recherche alimentera deux missions à venir : la mission Euclid de l’ESA, dont le lancement est prévu au plus tôt en 2023, qui bénéficie de contributions de la NASA ; et le télescope spatial romain Nancy Grace de la NASA, dont le lancement est prévu au plus tard en mai 2027. Les deux télescopes rechercheront les changements de force de gravité dans le temps ou à distance.
Vision floue
Comment les scientifiques savent-ils ce qui s’est passé dans le passé de l’univers ? En regardant des objets éloignés. Une année-lumière est une mesure de la distance que la lumière peut parcourir en un an (environ 6 billions de miles, ou environ 9,5 billions de kilomètres). Cela signifie qu’un objet situé à une année-lumière nous apparaît tel qu’il était il y a un an, lorsque la lumière a quitté l’objet pour la première fois. Et les galaxies à des milliards d’années-lumière nous apparaissent comme il y a des milliards d’années. La nouvelle étude a examiné des galaxies remontant à environ 5 milliards d’années dans le passé. Euclide regardera 8 milliards d’années dans le passé, et Roman regardera 11 milliards d’années en arrière.
Les galaxies elles-mêmes ne révèlent pas la force de la gravité, mais à quoi elles ressemblent vues de la Terre. La majeure partie de la matière de notre univers est de la matière noire, qui n’émet pas, ne réfléchit pas ou n’interagit pas avec la lumière. Bien que les scientifiques ne sachent pas de quoi il est fait, ils savent qu’il est là, car sa gravité le trahit : De grands réservoirs de matière noire dans notre univers espace de distorsion lui-même. Au fur et à mesure que la lumière voyage dans l’espace, elle rencontre ces portions d’espace déformées, ce qui fait apparaître des images de galaxies lointaines incurvées ou tachées. Cela a été affiché dans l’une des premières images publiées par le télescope spatial James Webb de la NASA.
Les scientifiques du Dark Energy Survey recherchent dans les images de galaxies des distorsions plus subtiles dues à l’espace de courbure de la matière noire, un effet appelé lentille gravitationnelle faible. La force de la gravité détermine la taille et la distribution des structures de matière noire, et la taille et la distribution déterminent à leur tour à quel point ces galaxies nous apparaissent déformées. C’est ainsi que les images peuvent révéler la force de la gravité à différentes distances de la Terre et à des époques lointaines tout au long de l’histoire de l’univers. Le groupe a maintenant mesuré les formes de plus de 100 millions de galaxies, et jusqu’à présent, les observations correspondent à ce qui est prédit par la théorie d’Einstein.
« Il y a encore de la place pour contester la théorie de la gravité d’Einstein, car les mesures deviennent de plus en plus précises », a déclaré la co-auteure de l’étude Agnès Ferté, qui a mené la recherche en tant que chercheuse postdoctorale au JPL. « Mais nous avons encore beaucoup à faire avant d’être prêts pour Euclid et Roman. Il est donc essentiel que nous continuions à collaborer avec des scientifiques du monde entier sur ce problème, comme nous l’avons fait avec le Dark Energy Survey. »
Résultats de l’année 3 de l’enquête sur l’énergie noire : contraintes sur les extensions de ΛCDM avec faible lentille et regroupement de galaxies, arXiv : 2207.05766 [astro-ph.CO] arxiv.org/abs/2207.05766