La gravité, telle que la plupart des gens la comprennent, est cette force familière qui attire une pomme tombant vers la Terre. Mais pour les astronomes et les physiciens théoriciens, c’est aussi un architecte invisible et irritant qui guide la forme et l’évolution des plus grandes structures cosmiques à travers l’univers.
Depuis des décennies, des observations déroutantes de galaxies se déplaçant anormalement vite obligent les cosmologistes comme Patricio A. Gallardo de l’Université de Pennsylvanie à revisiter les fondements de la physique, explorant, par exemple, si les lois de la gravité décrites par Isaac Newton et Albert Einstein s’appliquent véritablement partout.
« L’astrophysique est tourmentée par un écart massif dans le registre cosmique », affirme Gallardo. « Lorsque nous observons comment les étoiles orbitent dans les galaxies ou comment les galaxies se déplacent au sein des amas galactiques, certaines semblent voyager beaucoup trop vite par rapport à la quantité de matière visible qu’elles contiennent. »
Ce décalage impose un choix entre deux conclusions radicales, explique-t-il. Soit l’univers contient des concentrations massives de « matière noire » invisible qui fournissent une attraction gravitationnelle supplémentaire, soit « les équations fondamentales de la gravité doivent être modifiées ».
Désormais, en utilisant les observations du Télescope de Cosmologie d’Atacama (ACT), un télescope d’environ trois à quatre étages développé en grande partie par des chercheurs de Penn dirigés par Mark Devlin, Gallardo et ses collaborateurs ont testé la gravité à travers des amas de galaxies séparés par des centaines de millions d’années-lumière – la sonde de la gravité à la plus grande échelle à ce jour.
Leurs résultats, publiés dans Physical Review Letters, montrent que la force de la gravité s’affaiblit avec la distance presque exactement comme le prédisent les équations développées par Newton et ensuite incorporées dans la théorie de la relativité générale d’Einstein.
« Il est remarquable que la loi de l’inverse des carrés – proposée par Newton au XVIIe siècle puis incorporée par la théorie de la relativité générale d’Einstein – tienne toujours au XXIe siècle », souligne Gallardo.
La confirmation que la gravité se comporte comme prédit par la théorie établie sur de vastes distances extragalactiques renforce un pilier fondamental de la science moderne, explique Gallardo : le modèle standard de la cosmologie. En montrant que les théories fondamentales de la gravité ne s’effondrent pas aux plus grandes échelles, les données ferment effectivement la porte à un groupe de théories telles que la Dynamique Newtonienne Modifiée (MOND), qui tentent d’expliquer les mouvements cosmiques en modifiant les lois de la gravité.
Lorsque Newton a proposé la relation de l’inverse du carré, qui stipule que la gravité s’affaiblit proportionnellement au carré de la distance entre les objets, il s’intéressait principalement à décrire les mouvements des objets dans le système solaire. Ce même principe a maintenant été testé sur des masses et des distances qui étaient « inconcevables à l’époque de Newton », déclare Gallardo.
Comprendre les « limites de vitesse » de l’univers
Les galaxies de l’univers – dont il existe plus de 200 milliards – ne se déplacent pas comme la seule gravité le dit.
Suivant la logique newtonienne, les étoiles plus éloignées du centre d’une galaxie devraient orbiter plus lentement. Au lieu de cela, les astronomes observent le contraire. Les régions les plus externes se déplacent bien plus vite que la matière visible ne peut l’expliquer. Le même décalage apparaît dans les amas de galaxies, où des galaxies entières se déplacent trop vite pour leur masse.
« C’est l’énigme centrale », explique Gallardo. « Soit la gravité se comporte différemment aux très grandes échelles, soit l’univers contient de la matière supplémentaire que nous ne pouvons pas voir directement. »
Tester la gravité à travers le cosmos
Pour tester cela, les chercheurs se sont tournés vers les observations d’ACT d’une lumière libérée environ 380 000 ans après le Big Bang et qui voyage depuis à travers l’univers, connue sous le nom de fond diffus cosmologique.
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Lorsque cette ancienne lumière traverse des amas de galaxies massifs, elle est subtilement modifiée par leur mouvement, laissant de faibles empreintes que les astronomes peuvent détecter. En lisant ces distorsions et en mesurant ces mouvements à travers des centaines de milliers d’amas séparés par des dizaines de millions d’années-lumière, les chercheurs ont déterminé avec quelle force la gravité attire les plus grandes structures du cosmos. Si les théories de la gravité modifiée comme MOND étaient correctes, les mesures révéleraient un affaiblissement gravitationnel plus plat.
Au lieu de cela, les résultats se sont alignés presque exactement là où les théories de Newton et d’Einstein s’accordent.
Parce que cette prédiction tient, le problème de la masse manquante ne peut pas être expliqué en changeant la gravité elle-même, renforçant l’idée qu’une composante invisible – la matière noire – doit fournir l’attraction supplémentaire.
Le mystère de la matière noire
Comprendre ce qu’est réellement la matière noire reste l’un des plus grands défis de la physique moderne.
« Cette étude renforce les preuves que l’univers contient une composante de matière noire », déclare Gallardo. « Mais nous ne savons toujours pas de quoi cette composante est faite. »
De futures observations du fond diffus cosmologique et des relevés de galaxies plus vastes permettront aux physiciens et aux astronomes de tester la gravité avec encore plus de précision.
« Avec tant de questions sans réponse, la gravité reste l’un des domaines de recherche les plus fascinants. C’est un champ naturellement attractif », plaisante Gallardo.
Patricio Gallardo est chercheur associé au Département d’astronomie et de physique de l’École des arts et des sciences de l’Université de Pennsylvanie.
L’étude a impliqué plus de 40 chercheurs représentant des affiliations institutionnelles dans plusieurs pays. Les chercheurs individuels ayant contribué à cette étude ont été soutenus par diverses bourses et agences nationales de financement, notamment le Kavli Institute for Cosmological Physics de l’Université de Chicago, la Simons Society of Fellows, la U.S. National Science Foundation (AST-2206088), la subvention NASA ROSES 12-EUCLID12-0004, le projet Basal de l’Agencia Nacional de Investigación y Desarrollo (ANID) du Chili FB210003, le National Research Foundation of South Africa, et le Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (NSERC) via les subventions RGPIN-2023-05014 et DGECR-2023-00180. Un soutien supplémentaire a été fourni par la chaire Sutton Family en Science, Christianisme et Cultures à la Faculté des arts et des sciences de l’Université de Toronto.
Le projet du Télescope de Cosmologie d’Atacama (ACT) est principalement soutenu par la U.S. National Science Foundation via les subventions AST-0408698, AST-0965625 et AST-1440226 pour le projet ACT, ainsi que PHY-0355328, PHY-0855887 et PHY-1214379. Un financement supplémentaire a été fourni par l’Université de Princeton, l’Université de Pennsylvanie, et une subvention de la Canada Foundation for Innovation (CFI) à l’Université de la Colombie-Britannique. Le développement des détecteurs et des lentilles multi-chroiques d’ACT a été soutenu par les subventions de la NASA NNX13AE56G et NNX14AB58G, et la recherche sur les détecteurs au National Institute of Standards and Technology (NIST) a été soutenue par le programme NIST Innovations in Measurement Science.
Article : Test of the gravitational force law on cosmological scales using the kinematic Sunyaev-Zeldovich effect – Journal : Physical Review Letters – Méthode : Data/statistical analysis – DOI : Lien vers l’étude
