Qu’est-ce que la gravité ? Une nouvelle étude de l’Univers a montré qu’Einstein avait raison !

Comprendre la gravité est un défi pour les physiciens depuis des siècles. Les premiers pas dans la compréhension de cette interaction fondamentale ont été franchis par Isaac Newton et développés par Albert Einstein des siècles plus tard. La relativité générale d’Albert Einstein est la théorie qui sous-tend la meilleure explication de la nature de la gravité. Einstein a décrit la gravité comme la courbure de l’espace-temps provoquée par la présence de masse et d’énergie.

Malgré le succès de la relativité générale aux petites échelles, la question se pose toujours de savoir si cette théorie peut décrire les échelles cosmologiques. Il s’agit principalement des concepts d’énergie noire et de matière noire, qui constituent ensemble 95 % de l’Univers. La nature de ces deux éléments est encore inconnue et certains astrophysiciens se demandent si le problème ne réside pas dans les modèles actuels qui décrivent l’Univers, dont la relativité générale.

L’une des principales questions est de savoir si la relativité générale fonctionne à l’échelle cosmologique et plusieurs projets visent à répondre à cette question. Récemment, de nouveaux résultats de l’instrument spectroscopique de l’énergie sombre (DESI) ont été publiés. Deux résultats importants ressortent, dont l’un est la confirmation des prédictions de la relativité générale à grande échelle et une limite sur la masse des neutrinos.

Qu’est-ce que la gravité ?

La gravité est l’une des quatre interactions fondamentales de la nature. Cette interaction a un comportement attractif, c’est-à-dire qu’elle est chargée d’attirer des objets de masse les uns vers les autres. C’est l’interaction la plus dominante à l’échelle galactique et c’est ce qui nous maintient attachés à la surface de la Terre. Le système solaire est également dominé par la gravité et les planètes tournent autour du Soleil grâce à cette interaction.

Isaac Newton a décrit la gravité dans sa loi de la gravitation universelle, qui stipule que la force entre deux corps est proportionnelle à leur masse et inversement proportionnelle au carré de la distance qui les sépare.

Aujourd’hui, la description la plus générale de la gravité est la théorie de la relativité générale proposée par Albert Einstein. Selon Einstein, la gravité est de nature géométrique, avec des corps massifs déformant l’espace-temps. Cependant, la gravité reste une question ouverte, notamment en ce qui concerne son union avec d’autres interactions. De plus, la gravité semble être la seule interaction sans particule médiatrice.

Relativité générale

La relativité générale a été proposée par Albert Einstein en 1915 et s’inscrit dans la continuité de ses travaux de 1908, au cours desquels il avait présenté la relativité restreinte. Alors que la relativité restreinte concernait l’espace-temps plat, la relativité générale s’étendait aux situations où l’espace-temps est courbé. Einstein a montré que la répartition de la masse et de l’énergie dans une région donnée est responsable de la courbure de l’espace-temps.

Cette courbure serait le phénomène que nous appelons la gravité, c’est-à-dire que nous sommes collés à la surface de la Terre parce que la masse terrestre déforme l’espace-temps. La théorie d’Einstein fut confirmée quatre ans plus tard par l’observation d’une éclipse. De plus, la relativité générale a permis la découverte d’objets tels que les trous noirs, ainsi qu’une description cosmologique de la structure de l’Univers.

Les mystères de l’Univers

La matière noire et l’énergie noire sont considérées comme l’un des plus grands mystères de l’univers. Malgré leurs noms similaires, il s’agit de concepts différents avec des comportements complètement différents. La matière noire est une forme inconnue de matière qui n’interagit d’aucune manière sauf par gravitation. L’énergie noire, quant à elle, est à l’origine de l’expansion accélérée de l’univers, agissant dans le sens opposé à la gravité.

Bien que la relativité générale décrit comment la gravité agit à grande échelle, elle n’explique pas complètement la nature de la matière noire et de l’énergie noire. Certaines théories alternatives, comme celle de la gravité modifiée, tentent d’expliquer la matière noire et l’énergie noire. Cependant, à ce jour, aucun modèle n’a réussi à s’imposer, mais la relativité générale a récemment pris un nouveau tournant dans l’explication de l’Univers à grande échelle.

DESI

DESI (Dark Energy Spectroscopique Instrument) est un projet conçu pour cartographier la structure de l’univers en trois dimensions et répondre aux questions sur l’énergie noire. Il a été installé sur le télescope Mayall de l’observatoire national de Kitt Peak aux États-Unis. DESI dispose de 5 000 fibres optiques qui permettent d’observer simultanément différents objets tels que des galaxies et des quasars.

La physique derrière DESI est basée sur l’effet appelé redshift, où l’allongement de la longueur d’onde de la lumière provenant d’objets distants indique leur vitesse et leur distance par rapport à la Terre. En mesurant le décalage vers le rouge de millions de galaxies, DESI est capable de cartographier la distribution 3D de l’univers et d’identifier certains amas. En étudiant ces observations, il est possible de comprendre comment la matière noire agit sur les amas et comment l’énergie noire agit sur l’expansion de l’Univers.

Résultats de l’étude DESI

Avec environ 6 millions de galaxies et quasars observés, il a été possible d’étudier l’évolution de l’Univers environ 3 milliards d’années après le Big Bang. Ces observations sont en accord avec les prédictions de la relativité générale, même à l’échelle cosmologique. Le taux de formation et la distribution des galaxies sont cohérents avec les prédictions des modèles incluant la relativité générale.

De plus, les résultats DESI mis à jour incluent également une étude de particules appelées neutrinos, connues sous le nom de « particules fantômes ». Les neutrinos sont des particules très légères dont on a longtemps pensé qu’elles n’avaient pas de masse. Cependant, des expériences ont permis de déterminer la masse des neutrinos et de fixer une limite inférieure. DESI a trouvé une estimation de la limite supérieure de la masse des neutrinos.

Référence de l’article :

DESI Collaboration et coll. DESI 2024 V : regroupement de galaxies de forme complète à partir de galaxies et de quasars arXiv