Un nouveau télescope spatial conçu pour scruter certaines des régions les plus éloignées de l'univers pourrait enfin répondre à l'une des questions les plus déroutantes entourant la théorie de la relativité générale d'Albert Einstein.

La mission Euclide, qui doit être lancé par l'Agence spatiale européenne en 2021, capturera des images de milliards de galaxies lointaines pour fournir de nouvelles informations sur le fonctionnement de la gravité dans les profondeurs de l'espace.

La célèbre théorie d'Einstein, qu'il publia en 1915, est largement considérée comme la meilleure façon d'expliquer la gravité. Il dit essentiellement que les objets massifs font courber le tissu de l'espace et du temps, ce qui fait tomber d'autres objets vers eux.

Mais alors que la relativité générale semble être cohérente avec la façon dont les scientifiques observent le comportement de la gravité dans notre propre système solaire et galaxie, il commence à paraître moins convaincant à plus grande échelle.

Les observations de supernovae lointaines suggèrent que notre univers accélère à mesure qu'il s'étend, bien que certains scientifiques le contestent. Pour qu'une expansion accélérée se produise sous la relativité générale, il faut que l'univers soit imprégné d'un mystérieux, et jusqu'à présent inconnu, « l'énergie noire » qui est nécessaire pour conduire le processus.

Alors que de nombreux physiciens sont convaincus de l'existence de l'énergie noire, d'autres cherchent des explications alternatives.

"La relativité générale est une très bonne théorie pour décrire la gravité, " a déclaré le professeur Kazuya Koyama, un cosmologue à l'Université de Portsmouth au Royaume-Uni. 'Mais quand nous l'appliquons sur un grand, échelle cosmologique, nous voyons des choses très étranges que nous avons besoin d'énergie noire pour expliquer. Le problème est que nous n'avons aucune idée de ce qu'est l'énergie noire.

'Si la relativité générale est modifiée, nous n'avons peut-être pas du tout besoin d'énergie noire pour expliquer ce qui se passe.

Le professeur Koyama dirige un projet appelé CosTesGrav, qui utilise des observations de galaxies lointaines pour aider à développer de nouvelles théories qui modifient la relativité générale afin qu'elle fonctionne à grande échelle. Les données recueillies par Euclid lors de son lancement seront vitales pour les aider à le faire.

20 sextillions de milles

Les chercheurs de CosTesGrav utilisent des observations de galaxies situées jusqu'à 3,3 milliards d'années-lumière (20 sextillions de miles) pour rechercher de minuscules distorsions dans leur forme causées par la gravité.

La théorie générale de la relativité affirme que la lumière est courbée par la gravité, ce qui signifie qu'il peut laisser une signature distinctive dans la lumière émise par des objets astronomiques distants comme les galaxies.

L'équipe CosTesGrav a déjà utilisé des images du télescope spatial Hubble pour rechercher certaines de ces distorsions et a constaté que la signature laissée par la gravité est cohérente avec la relativité générale.

Mais le professeur Koyama pense que des enquêtes à plus grande échelle comme celles menées par Euclid pourraient leur permettre de détecter des distorsions indiquant qu'il pourrait y avoir autre chose à l'œuvre.

« Nous devons expliquer le succès de la relativité générale à petite échelle mais en même temps le modifier à très grande échelle, " a déclaré le professeur Koyama. 'C'est un défi. Nous avons deux approches :l'une consiste à proposer des modèles théoriques et à utiliser des simulations de pointe pour les tester.

"L'autre est d'utiliser les observations et de rechercher les signatures d'un écart par rapport à la relativité générale."

Il dit que la combinaison de ces approches permettra aux chercheurs de capitaliser sur les cartes très précises d'Euclide de la distribution des galaxies et de tester la relativité générale à l'échelle cosmologique.

Leur travail n'a pas seulement permis de résoudre l'une des plus grandes énigmes de l'univers, mais pourrait aussi radicalement réécrire notre compréhension de notre place en son sein.

Dimensions supplémentaires

Une théorie alternative à l'énergie noire suggère que l'espace-temps peut avoir des dimensions supplémentaires qui ne sont possibles à détecter qu'à l'échelle cosmologique.

« C'est passionnant car nous pourrions trouver quelque chose de très différent de la notion habituelle d'espace-temps à très grande échelle, " a déclaré le professeur Koyama. "Mais pour le moment, notre compréhension actuelle de la relativité générale est sûre."

Une modification de la relativité générale, cependant, pourrait avoir des implications importantes ici sur Terre. La plupart d'entre nous utilisons la théorie tous les jours lorsque nous suivons les instructions sur nos téléphones portables ou nos systèmes de navigation embarqués.

« La précision du GPS (le système de positionnement global) est incroyable, mais cela n'est possible que grâce à des ajustements utilisant la relativité générale, " a expliqué le professeur Koyama. "Nous ne savons pas à quel point les découvertes que nous ferons à l'avenir seront importantes pour le développement technologique futur."

Les données recueillies par Euclid s'avéreront également vitales pour les scientifiques travaillant sur un autre projet qui cherche non seulement à tester la théorie générale de la relativité, mais aussi éclairer certaines des conditions initiales qui ont conduit à la structure actuelle de l'univers.

Le projet GrInflaGal utilise des observations d'amas de galaxies massifs - vastes, des structures denses liées entre elles par la gravité dans l'espace formé de millions de galaxies - pour examiner la répartition de la matière dans l'univers et les effets de la gravité.

« Nous voulons modéliser l'amas de galaxies à grande échelle, mais pour ce faire, nous devons savoir comment ces galaxies se comportent, " a déclaré le Dr Fabian Schmidt, cosmologue à l'Institut Max Planck d'Astrophysique de Garching, Allemagne, qui dirige le projet GrInflaGal.

En mesurant le comportement d'autres objets autour des amas de galaxies – comme par exemple en examinant les différences de vitesse par rapport à leur masse – les chercheurs pensent pouvoir mesurer la gravité de ces énormes structures et ainsi tester si elles adhèrent à la relativité générale.

Touffe

Cela pourrait ensuite être utilisé pour aider à comprendre comment l'univers est passé d'un chaud, amas uniforme de matière dense à celui où les galaxies sont dispersées en amas que l'on voit aujourd'hui.

« L'objectif est d'avoir un moyen presque optimal de tester la gravité à partir d'enquêtes à venir comme Euclid, ' a déclaré le Dr Schmidt. "Nous n'avons aucune idée de la façon dont l'inflation dans l'univers primitif s'est produite, mais des enquêtes comme Euclid pourraient améliorer les contraintes que nous utilisons.

« La gravité est une partie si fondamentale de notre compréhension physique de l'univers, et la cosmologie nous donne la chance de le sonder à une échelle beaucoup plus grande que jamais.