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En analysant la première année de données de l’instrument spectroscopique de l’énergie sombre (DESI), incluant près de 6 millions de galaxies, une équipe internationale de chercheurs a confirmé les prédictions d’Einstein sur la gravité. La façon dont les galaxies se sont regroupées au cours des 11 milliards d’années de l’histoire de l’Univers suggère que la gravité se comporte exactement comme le prédit la relativité générale, même à de grandes distances cosmologiques.
Selon la théorie de la relativité générale, la gravité a façonné l’architecture de l’Univers en contribuant à la répartition de la matière et à son agglomération pour former de grandes structures, comme les galaxies. Cependant, si elle est bien testée à l’échelle des systèmes stellaires, certaines observations remettent en question sa validité à de grandes distances cosmologiques.
« La relativité générale a été très bien testée à l’échelle des systèmes solaires, mais il fallait aussi vérifier que la théorie fonctionne à des échelles beaucoup plus grandes. », explique dans un article de blog du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), Pauline Zarrouk, du Centre national de la recherche scientifique (CNRS).
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Parmi les phénomènes mettant en doute les prédictions d’Einstein figure l’accélération de l’expansion de l’Univers. Découverte en 1998 par Saul Perlmutter, Brian Schmidt et Adam Riess, elle a donné lieu à deux hypothèses impliquant notamment soit l’existence d’une énergie noire à l’origine de cette accélération, soit une lacune dans la théorie de la gravité d’Einstein aux grandes échelles cosmologiques, conduisant à des variantes modifiées de la théorie. Des mesures récentes du Dark Energy Survey semblent également suggérer que la gravité agit différemment selon les distances cosmiques.
Zarrouk et ses collègues ont évalué la validité des théories modifiées de la gravité en analysant la première année de données de l’instrument DESI concernant la façon dont les galaxies se regroupent au fil du temps. ” Les données que nous avons collectées avec DESI nous permettent de mesurer des modèles subtils de regroupement de galaxies. Ce qui est vraiment passionnant, c’est que nous pouvons utiliser ces diagrammes non seulement pour mesurer la vitesse à laquelle l’Univers se développe, mais aussi pour tester notre compréhension de la gravité elle-même.
», déclare dans un communiqué de l’Université de Portsmouth Seshadri Nadathur, qui a co-dirigé les nouvelles analyses. Les résultats sont détaillés dans une série d’études de pré-publication sur le serveur arXiv.
Le télescope Mayall, abritant l’instrument DESI. © KPNO/NOIRLab/NSF/AURA/R. Étincelles (NSF NOIRLab)
Les prédictions d’Einstein confirmées sur 11 milliards d’années
DESI est un instrument d’observation de pointe installé sur le télescope Mayall en Arizona. Il dispose de 5 000 capteurs à fibre optique capables de capturer simultanément la lumière de 5 000 galaxies. La première année de données de l’instrument comprend près de 6 millions de galaxies et de quasars couvrant jusqu’à 11 milliards d’années dans le passé de l’Univers. En seulement un an d’observation, DESI a collecté 3 fois plus de données que ce qui aurait été possible avec les instruments précédents en 20 ans. Ces relevés ont permis de produire la carte tridimensionnelle la plus complète et la plus détaillée de l’Univers à ce jour.
La cartographie a permis aux chercheurs de recueillir des mesures exactes de la répartition des galaxies dans l’Univers et de l’évolution de son expansion sous l’effet de la gravité au cours du temps. Plus précisément, les équipes ont mesuré les oscillations acoustiques baryoniques (BAO), reflétant la façon dont les galaxies se regroupent. L’expansion de l’Univers éloigne les galaxies les unes des autres, tandis que la gravité atténue localement cet étirement en les regroupant. Des variations de vitesse d’expansion permettraient ainsi d’évaluer l’effet de la gravité sur de grandes distances cosmiques.
Les chercheurs ont découvert que sur 11 milliards d’années, la façon dont les galaxies se regroupent est cohérente avec les prédictions d’Einstein sur la gravité. Ces résultats confirmeraient ainsi la validité de la relativité générale à toutes les échelles de l’Univers et imposeraient une limite aux théories alternatives proposées pour expliquer les observations inattendues liées à son expansion. Les observations inattendues incluent l’expansion accélérée de l’Univers, un phénomène non prédit par les théories classiques de la gravité.
Les données DESI ont également montré que l’énergie noire ne semble pas constante et change avec le temps. Cela suggère que le modèle cosmologique standard reste incomplet et que d’autres phénomènes physiques doivent probablement encore être découverts.
Vidéo de simulation montrant comment la gravité affecte la position des galaxies que nous observons, modifiant la façon dont elles sont regroupées sur une carte de galaxie (© Collaboration Claire Lamman et Michael Rashkovetskyi/DESI)
Masse inférieure pour les neutrinos
Les données DESI ont également fourni de nouvelles informations sur les neutrinos, les seules particules fondamentales dont les masses n’ont pas encore été mesurées avec précision en laboratoire. La limite supérieure de la masse combinée des trois types de neutrinos serait inférieure à ce que l’on supposait auparavant. Des expériences antérieures ont montré que cette masse devait être d’au moins 0,059 eV/c². A titre de comparaison, un électron a une masse d’environ 511 000 eV/c². En revanche, les mesures DESI indiquent une masse de 0,071 eV/c² pour les neutrinos.
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« Ces particules élémentaires sont de minuscules particules de très petite masse, mais la force de gravité qu’elles produisent collectivement affecte la façon dont les galaxies se déplacent et se regroupent dans l’espace. », explique Carlos Frenk de l’Université de Durham et membre de l’équipe DESI. ” La taille et la qualité sans précédent de l’ensemble de données DESI ont permis de détecter cet effet minuscule, très excitant pour les cosmologistes et les physiciens des particules. », ajoute-t-il.
Les chercheurs continuent d’analyser les trois premières années de données DESI et prévoient de présenter une mise à jour des mesures d’énergie noire d’ici l’année prochaine. Ces données devraient permettre de cartographier environ 40 millions de galaxies et quasars.
Vidéo à 360 degrés montrant de manière interactive des millions de galaxies cartographiées à l’aide des données DESI
(© C.collaboration Fiske Planetarium, CU Boulder et DESI)
