Scruter le ciel pour y débusquer des failles dans la théorie de la relativité générale d’Einstein
La théorie de la relativité générale d’Einstein décrit la nature de la gravité, rendant parfaitement compte du mouvement des objets célestes de notre système solaire. Pourtant, elle ne parvient pas à expliquer le fonctionnement des galaxies, à moins que leur cohésion ne soit assurée par une masse invisible, appelée matière noire. Elle ne peut pas non plus rendre compte de l’apparente accélération de l’expansion de l’Univers sans invoquer la présence d’une source d’énergie noire. L’origine de ces deux entités obscures de l’Univers reste inconnue. «La physique fondamentale ne peut expliquer qu’une infime partie de l’Univers», fait remarquer Catherine Heymans, coordinatrice du projet. Le projet GLOBE, financé par l’UE, «s’est concentré sur l’utilisation de données de pointe pour chercher s’il était possible de fournir une explication alternative convaincante aux composantes sombres de l’Univers en allant au-delà de la théorie d’Einstein avec un nouveau modèle de gravité».
Une théorie incomplète
Auparavant, cela aurait été considéré comme une «hérésie», selon Catherine Heymans. Pourtant, malgré des décennies de recherche, personne n’a encore trouvé de particules de matière noire, que ce soit dans des expériences de supercollisionneurs ou dans des pièges à xénon liquide. L’origine de l’énergie noire reste encore plus insaisissable, poussant des astrophysiciens comme Catherine Heymans à se demander si la théorie de la gravité d’Einstein ne serait pas incomplète. «Il s’agit de la théorie la mieux testée sur Terre. La navigation par satellite ne fonctionnerait pas si elle était fausse», ajoute-t-elle. «Mais la Terre est un espace assez particulier. La majeure partie de l’Univers est vide, il existe d’énormes espaces vides entre les galaxies, et peut-être que la gravité y fonctionne différemment.» Catherine Heymans et son équipe de l’université d’Édimbourg ont adopté une approche combinée pour mettre à l’épreuve la théorie dominante de la gravité. Les données principales ont été générées par l’Observatoire européen austral, à l’aide du télescope de sondage VST du site de Paranal, au Chili. Ce relevé astronomique, baptisé KiDS (Kilo-Degree Survey), a été jugé si important que ses mesures étaient prioritaires chaque fois que l’observatoire bénéficiait de conditions météorologiques idéales. KiDS a cartographié un cinquième du ciel dans le spectre visible, de la lumière bleue au proche infrarouge, scrutant des galaxies distantes de 10 milliards d’années-lumière. L’équipe de GLOBE s’est ensuite mise à la recherche de tout indice éventuel d’une déformation de la lumière par des anomalies gravitationnelles sur son parcours vers la Terre. «Nous avons examiné 30 millions de galaxies et utilisé ces données pour déterminer où se trouve la matière noire dans notre Univers», explique Catherine Heymans. «Nous pouvons utiliser ces données pour tester directement la théorie d’Einstein concernant la façon dont la masse courbe l’espace et le temps.» Ces données ont été combinées avec un deuxième jeu de données dans lequel le mouvement des galaxies a été cartographié dans les régions remplies de matière noire.
Quand les étoiles s’alignent
L’équipe a constaté que ses données correspondaient aux prévisions d’Einstein. «Nous en avons conclu qu’il était très difficile de tordre le cou à la théorie d’Einstein. Si la matière noire et l’énergie noire existent, la relativité générale fonctionne très bien dans tout l’Univers», observe Catherine Heymans. Elle ajoute toutefois qu’il est important de continuer à la remettre en question. «On ne peut jamais prouver une théorie, seulement la réfuter!» Actuellement en construction au Chili, le nouveau télescope de 8,4 m de l’observatoire Vera Rubin permettra de poursuivre ces efforts. Il lui suffira de quelques semaines pour collecter les mêmes données que celles accumulées par le projet GLOBE pendant sept ans. L’intégralité de la méthodologie et des techniques développées par le projet GLOBE sont utilisées pour ce télescope beaucoup plus puissant. «Le fait que notre compréhension actuelle de la physique ne puisse pas expliquer l’énergie ou la matière noire signifie qu’il lui manque quelque chose de très important», conclut Catherine Heymans. «Beaucoup de gens pensent que nous avons besoin d’une véritable révolution en physique pour enfin parvenir à comprendre tout cela.»
Mots‑clés
GLOBE, relativité, Einstein, gravité, énergie, matière noire, galaxies
