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Entretien

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Énergie sombre vs. Gravité modifiée: qui sortira vainqueur?

La théorie de la relativité générale d’Einstein prédit l’existence de l’énergie sombre: une forme d’énergie mystérieuse qui se diffuse dans l’espace et accélère l’expansion de l’univers. Mais si Einstein s’était trompé et que cette énergie sombre n’existait pas? Le projet GalaxyDance s’est penché sur ce scénario.

Espace

Aussi exacte qu’elle se soit révélée jusqu’à présent, la relativité générale n’est pas la seule théorie qui puisse expliquer la gravitation. En effet, plusieurs autres théories ont été exposées. Or, le fait est que les scientifiques ne sont pas certains qu’elles résistent à l’observation et aux simulations. Pour mettre fin à ce doute, le projet GalaxyDance, lancé avec le soutien du programme Marie Skłodowska-Curie, a utilisé les informations encodées dans des statistiques de vitesses particulières de galaxies de l’Univers local et a observé les distorsions redshift-espace (RSD) de galaxies lointaines. Le Dr Wojciech Hellwing, coordinateur du projet et titulaire d’une bourse de recherche au Centre de physique théorique de l’Académie des sciences de Pologne, nous explique les résultats obtenus jusqu’à présent. Pourquoi est-ce si difficile de comprendre l’expansion de l’univers? Plus nous avançons dans nos observations de l’univers, plus nous sommes perplexes face à certaines de ses propriétés. L’expansion accélérée de l’univers est l’une d’entre elles. Jusqu’à présent, son origine était attribuée à l’énergie sombre. Or, en vérité, nous ne pouvons prendre en compte l’énergie sombre qu’à condition que la théorie de la gravité d’Einstein soit valable pour toutes les échelles du cosmos. Et il existe d’autres théories possibles qui pourraient expliquer l’expansion accélérée de l’univers sans recourir à l’énergie sombre. Elles vont au-delà de la relativité générale et sont couramment appelées théories de la «gravité modifiée». Pour l’astronomie extragalactique moderne, il s’avère urgent et essentiel de tester la relativité générale et ces autres théories à l’échelle intergalactique. C’était très exactement l’objet du projet GalaxyDance. Pouvez-vous nous en dire plus sur votre approche? GalaxyDance a introduit une nouvelle approche qui consiste à utiliser des statistiques de niveau faible sur les vitesses des galaxies et de les agréger, aux fins de tester les différentes théories de la gravité, celle d’Einstein et les autres. Ce test couvre les échelles intergalactiques pour lesquelles la théorie de la gravité n’a pas encore été rigoureusement testée. J’ai démontré que cette approche présente plusieurs avantages spécifiques: elle est indépendante du modèle de la gravité, dépourvue de parti pris significatif lié à la galaxie et largement non impactée par la physique baryonique. J’ai eu recours à des simulations informatiques à la pointe de la technologie qui m’ont permis de recréer un univers virtuel sur un supercalculateur. En effectuant puis en analysant ces simulations, nous sommes en mesure de tester les théories allant au-delà de la relativité générale et d’obtenir des résultats prometteurs. En quoi cette approche est-elle particulièrement innovante? Le recours à des simulations à grande échelle sur supercalculateur était jusqu’ici impossible pour tester les théories allant au-delà de la relativité générale du fait de leur complexité et de leur coût. Pour résoudre ce problème, nous avons décidé d’utiliser un algorithme d’accélération qui, aux dépens d’un certain degré de précision, est capable de mesurer l’évolution de l’univers de manière bien plus efficace. J’ai démontré avec succès que, dans le cas des vitesses cosmiques, cette approche par approximation est suffisante pour obtenir des résultats solides. Quels sont les résultats les plus significatifs du projet? Sans aucun doute le nouvel ensemble de simulations à grande échelle à la pointe de la technologie des théories alternatives qui permettront de réaliser des études sans précédent des champs de vitesse cosmique. Nous avons d’ores et déjà démontré que les statistiques de niveau faible du champ de vitesse galactique devraient présenter un signal fort de gravité modifiée. Toutefois, nous avons également montré que, pour mesurer et extraire ce signal, disposer d’un modèle dédié et complet de l’impact des structures cosmiques proches, comme l’amas de galaxies de la Vierge, sera d’une importance capitale pour garantir le succès de notre méthode. Qu’espérez-vous encore accomplir avant la fin du projet?
 Nous allons développer un modèle supplémentaire des processus qui déterminent les couleurs, la luminosité et les formes d’une galaxie. Cela permettra la création de catalogues des galaxies artificielles qui auraient été créées dans un univers régi par les théories alternatives à celle de la gravité d’Einstein. À partir de là, nous comparerons nos résultats aux observations astronomiques existantes et à venir pour fournir de nouveaux tests rigoureux de la gravité à des échelles plus grandes. Quels ont été les retours de la communauté scientifique jusqu’ici? De nombreux collègues ont exprimé leur intérêt et même leur enthousiasme vis-à-vis de nos résultats lorsque nous les avons présentés au cours de conférences cosmologiques internationales. Par ailleurs, nous avons lancé de nouvelles collaborations avec des collègues disposant d’expertises complémentaires dans le domaine de l’observation des galaxies (à Lyon en France) et de la modélisation des structures cosmiques proches (nos collègues de Potsdam en Allemagne). Tout cela est vraiment passionnant. Quels résultats attendez-vous de ce projet à long terme? Comment prépare-t-il la communauté scientifique à l’ère des mégadonnées cosmologiques? GalaxyDance apporte une nouvelle méthode qui permettra de concrétiser les tests cosmologiques des théories gravitationnelles. Les résultats finaux, peu importe la théorie (énergie sombre ou gravité modifiée) qu’ils favoriseront, auront des conséquences d’une grande portée et révolutionneront notre compréhension de l’univers dans les grandes échelles. Dans l’éventualité où nos tests identifieraient la signature de l’une des nouvelles propriétés physiques décrites dans les théories allant au-delà de la relativité générale, cela bouleverserait notre perception actuelle et notre compréhension de l’évolution du cosmos à grande échelle. Si, à l’inverse, nos travaux viennent renforcer la théorie de la relativité générale, cela signifiera que nous devons approfondir les recherches pour expliquer les mystères de l’énergie sombre.

Pays

Pologne