Remettre en question la théorie de la relativité générale
La théorie de la relativité générale (RG) d’Einstein constitue depuis longtemps la norme pour décrire la gravitation dans notre système solaire. Mais qu’en est-il de l’Univers dans son ensemble? «En 1998, des astronomes ont découvert de façon surprenante que l’expansion de l’Univers s’accélère, au lieu de ralentir», explique Kazuya Koyama, professeur de cosmologie à l’université de Portsmouth. Selon Kazuya Koyama, cette accélération récemment découverte de l’expansion de l’Univers constitue le problème le plus complexe de la physique théorique, et l’un de ceux qui remettent en question le modèle standard de la cosmologie. «Le modèle standard de la cosmologie est basé sur une énorme extrapolation de nos connaissances limitées sur la gravité», explique-t-il. «Cette découverte pourrait nous amener à réviser la théorie de la gravité et le modèle standard de la cosmologie basé sur la RG.» Avec le soutien du projet CosTesGrav, financé par l’UE, Kazuya Koyama s’efforce de combler ce manque de connaissances. «L’objectif de ce projet est de développer des tests cosmologiques de la gravité et de rechercher des solutions à l’origine de l’expansion accélérée observée de l’Univers en remettant en question la RG conventionnelle», ajoute Kazuya Koyama.
Commencer petit pour atteindre la dimension cosmologique
L’objectif principal du projet CosTesGrav consistait à développer des cadres théoriques et des outils permettant de sonder la physique gravitationnelle à l’échelle cosmologique. Pour ce faire, les chercheurs ont commencé petit. «Nous avons développé divers outils théoriques destinés à fournir des prédictions relatives aux observations cosmologiques effectuées à de petites échelles dans des modèles de gravité modifiés», précise Kazuya Koyama. «De nombreuses informations sont disponibles aux petites échelles, et il est vital de fournir des prédictions théoriques à ces échelles afin d’optimiser le rendement des futurs relevés cosmologiques.» Pour illustrer l’énorme impact de cette approche à petite échelle, il suffit de considérer les travaux du projet sur la théorie générale du tenseur scalaire, une extension de la RG qui inclut un champ scalaire. «Nous avons contribué de manière considérable au développement de théories du tenseur scalaire plus générales que la théorie originale publiée dans les années 1970», fait remarquer Kazuya Koyama. Comme l’explique Kazuya Koyama, de tels développements ont non seulement un impact sur l’étude des théories gravitationnelles, mais fournissent également une base permettant de tester la gravité à des échelles cosmologiques dans un cadre général. «Nous avons construit des théories de gravité modifiées comme alternative aux théories conventionnelles de l’énergie sombre et analysé les mécanismes de filtrage pour rétablir la RG à des échelles où elle est bien testée», explique-t-il. «Nous avons ensuite développé de meilleurs cadres théoriques nous permettant d’effectuer des tests cosmologiques de la gravité qui incluent des échelles non linéaires en exploitant notre connaissance théorique des modèles et nos simulations de pointe.»
De grandes choses à venir
Malgré ces importants efforts, le projet n’a pas encore trouvé de solution alternative satisfaisante à la RG qui puisse expliquer cette accélération de l’expansion de l’Univers. «La contrainte sur la vitesse de propagation des ondes gravitationnelles provenant d’une fusion d’étoiles à neutrons observée en 2018 a considérablement changé le paysage des théories au-delà de la RG», fait remarquer Kazuya Koyama. «Cela nous a appris que les observations mènent parfois vers des régions inexplorées de l’espace théorique, et qu’il est important d’avoir l’esprit ouvert lorsque nous développons des modèles théoriques.» Cela dit, les outils développés par ce projet soutenu par le Conseil européen de la recherche joueront un rôle crucial dans les tests de modèles cosmologiques non standard effectués à l’aide de futurs relevés astronomiques, tels que ceux qui seront menés par la mission Euclid de l’Agence spatiale européenne. «De nouvelles expériences cosmologiques passionnantes vont bientôt commencer, et j’ai hâte d’appliquer les techniques développées dans le cadre de ce projet à des données réelles et de réaliser des tests de la RG à l’échelle cosmologique», conclut Kazuya Koyama.
Mots‑clés
CosTesGrav, théorie de la relativité générale, Univers, gravitation, cosmologie, physique théorique, gravité, mission Euclide