Une nouvelle étude confirme que la gravité est restée constante pendant tout l’âge de l’univers

Depuis plus d’un siècle, les astronomes savent que l’Univers est en expansion depuis le Big Bang. Pendant les huit premiers milliards d’années, le taux d’expansion était relativement constant puisqu’il était retenu par la force de gravitation. Cependant, grâce à des missions comme la Le télescope spatial Hubble, les astronomes ont depuis appris qu’il y a environ cinq milliards d’années, le taux d’expansion s’était accéléré. Cela a conduit à la théorie largement acceptée selon laquelle une force mystérieuse est à l’origine de l’expansion (connue sous le nom d’énergie sombre), tandis que certains insistent sur le fait que la force de gravité peut avoir changé au fil du temps.

C’est une hypothèse controversée car cela signifie que la théorie générale de la relativité d’Einstein (qui a été validée de neuf façons depuis dimanche) est fausse. Mais selon une nouvelle étude de la collaboration internationale Dark Energy Survey (DES), la nature de la gravité est restée la même tout au long de l’histoire de l’Univers. Ces découvertes interviennent peu avant deux télescopes spatiaux de nouvelle génération (Nancy Grace Roman et Euclide) sont envoyés dans l’espace pour effectuer des mesures encore plus précises de la gravité et de son rôle dans l’évolution cosmique.

La collaboration DES comprend des chercheurs d’universités et d’instituts des États-Unis, du Royaume-Uni, du Canada, du Chili, d’Espagne, du Brésil, d’Allemagne, du Japon, d’Italie, d’Australie, de Norvège et de Suisse. Leurs résultats de troisième année ont été présentés lors de la Conférence internationale sur la physique des particules et la cosmologie (COSMO’22), qui s’est tenue à Rio de Janeiro du 22 au 26 août. Ils ont également été partagés dans un article intitulé “Dark Energy Survey Year 3 Results: Constraints on extensions to Lambda CDM with low lensing and galaxy clustering” paru dans la revue American Physical Society Examen physique D.

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La théorie générale de la relativité d’Einstein, qu’il a finalisée en 1915, décrit comment la courbure de l’espace-temps est modifiée en présence de la gravité. Depuis plus d’un siècle, cette théorie a prédit avec précision presque tout dans notre Univers, de l’orbite de Mercure et de la lentille gravitationnelle à l’existence de trous noirs. Mais entre les années 1960 et 1990, deux divergences ont été découvertes qui ont conduit les astronomes à se demander si la théorie d’Einstein était correcte. Premièrement, les astronomes ont noté que les effets gravitationnels des structures massives (comme les galaxies et les amas de galaxies) ne correspondaient pas à leur masse observée.

Cela a donné naissance à la théorie selon laquelle l’espace est rempli d’une masse invisible qui interagit avec la matière “normale” (c’est-à-dire “lumineuse” ou visible) via la gravité. Pendant ce temps, l’expansion observée du cosmos (et la façon dont il est soumis à l’accélération) a donné naissance à la théorie de l’énergie noire et au modèle cosmologique Lambda Cold Dark Matter (Lambda CDM). Cold Dark Matter est une interprétation où cette masse est composée de grosses particules se déplaçant lentement tandis que Lambda représente l’énergie noire. En théorie, ces deux forces constituent 95% du contenu total masse-énergie de l’Univers, mais toutes les tentatives pour en trouver des preuves directes ont échoué.

La seule alternative possible est que la relativité doit être modifiée pour tenir compte de ces écarts. Pour savoir si c’est le cas, les membres du DES ont utilisé le télescope Victor M. Blanco de 4 mètres à l’observatoire interaméricain Cerro Telolo au Chili pour observer des galaxies jusqu’à 5 milliards d’années-lumière. Ils espéraient déterminer si la gravité a varié au cours des 5 derniers milliards d’années (depuis le début de l’accélération) ou sur des distances cosmiques. Ils ont également consulté les données d’autres télescopes, dont le satellite Planck de l’ESA, qui cartographie le fond diffus cosmologique (CMB) depuis 2009.

Ils ont porté une attention particulière à la façon dont les images qu’ils ont vues contenaient de subtiles distorsions dues à la matière noire (lentilles gravitationnelles). Comme la première image publiée par le Télescope spatial James Webb (JWST) illustré, les scientifiques peuvent déduire la force de la gravité en analysant la mesure dans laquelle une lentille gravitationnelle déforme l’espace-temps. Jusqu’à présent, la collaboration DES a mesuré les formes de plus de 100 millions de galaxies, et les observations correspondent toutes à ce que prédit la relativité générale. La bonne nouvelle est que la théorie d’Einstein tient toujours, mais cela signifie également que le mystère de l’énergie noire persiste pour le moment.

Vue d’artiste du télescope spatial romain Nancy Grace, nommé d’après le premier chef de l’astronomie de la NASA. Crédits : NASA

Heureusement, les astronomes n’auront pas à attendre longtemps avant que de nouvelles données plus détaillées soient disponibles. D’abord, il y a l’ESA Euclide mission, dont le lancement est prévu au plus tard en 2023. Cette mission cartographiera la géométrie de l’Univers, en regardant 8 milliards d’années dans le passé pour mesurer les effets de la matière noire et de l’énergie noire. D’ici mai 2027, il sera rejoint par la NASA Télescope spatial romain Nancy Grace, qui retracera plus de 11 milliards d’années. Ce seront les relevés cosmologiques les plus détaillés jamais réalisés et devraient fournir les preuves les plus convaincantes pour (ou contre) le modèle Lambda-CDM.

Comme l’a déclaré la co-auteure de l’étude Agnès Ferté, qui a mené la recherche en tant que chercheuse postdoctorale au JPL, dans un récent communiqué de presse de la NASA :

« Il est encore possible de contester la théorie de la gravité d’Einstein, car les mesures deviennent de plus en plus précises. Mais nous avons encore tant à faire avant d’être prêts pour Euclide et Romain. 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.

De plus, les observations fournies par Webb des premières étoiles et galaxies de l’Univers permettra aux astronomes de suivre l’évolution du cosmos depuis ses premières périodes. Ces efforts ont le potentiel de répondre à certains des mystères les plus pressants de l’Univers. Celles-ci incluent la manière dont la relativité et la masse et l’expansion observées de l’univers coïncident, mais pourraient également donner un aperçu de la manière dont la gravité et les autres forces fondamentales de l’univers (telles que décrites par la mécanique quantique) interagissent – une théorie du tout (ToE).

S’il y a une chose qui caractérise l’ère actuelle de l’astronomie, c’est la façon dont les relevés à long terme et les instruments de nouvelle génération se réunissent pour tester ce qui était jusqu’à présent l’étoffe de la théorie. Les percées potentielles auxquelles ceux-ci pourraient conduire nous raviront et nous confondront à coup sûr. Mais à terme, ils révolutionneront notre regard sur l’Univers.

Lectures complémentaires : NASA

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1 thought on “Une nouvelle étude confirme que la gravité est restée constante pendant tout l’âge de l’univers”

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