La théorie de la relativité générale d'Einstein prédit l'existence de l'énergie noire, une forme mystérieuse d'énergie qui imprègne l'espace et accélère l'expansion de l'Univers. Mais et si Einstein avait tort et qu'il n'y avait pas d'énergie noire ? Le projet GalaxyDance a étudié ce scénario.

Aussi précis que cela s'est avéré jusqu'à présent, La relativité générale n'est pas la seule théorie qui peut expliquer la gravitation. En réalité, il existe diverses théories alternatives. Les scientifiques ne savent tout simplement pas comment ceux-ci peuvent résister à l'observation et aux simulations.

Pour combler cet écart, le projet GalaxyDance, entrepris avec le soutien du programme Marie Skłodowska-Curie, a utilisé des informations codées dans des statistiques de vitesse particulières des galaxies dans l'univers local ainsi que des distorsions spatiales de décalage vers le rouge (RSD) observées de galaxies lointaines.

Dr Wojciech Hellwing, coordinateur du projet et chercheur au Centre de physique théorique de l'Académie polonaise des sciences, discute des conclusions du projet jusqu'à présent.

Qu'est-ce qui rend l'expansion de l'Univers si difficile à comprendre ?

Au fur et à mesure que nous approfondissons nos observations de l'Univers, nous sommes encore intrigués par certaines de ses propriétés. L'un d'eux est l'expansion accélérée de l'espace-temps, qui est actuellement attribuée à l'énergie noire. Mais la vérité est, nous n'avons besoin de considérer l'énergie noire que si la théorie de la gravité d'Einstein est valable à toutes les échelles du cosmos.

Il existe d'autres explications possibles à l'expansion accélérée qui ne nécessitent pas d'énergie noire. Ces théories vont au-delà de la relativité générale et sont communément appelées "gravité modifiée". Tester la relativité générale et ces alternatives à l'échelle intergalactique est un problème urgent et important pour l'astronomie extragalactique moderne, et c'était le but de GalaxyDance.

Pouvez-vous nous en dire plus sur votre approche ?

GalaxyDance introduit une nouvelle approche qui consiste à utiliser des statistiques d'ordre faible des vitesses des galaxies et du regroupement pour tester la théorie de la gravité d'Einstein et ses homologues. Ce test couvre les échelles intergalactiques, un régime dans lequel la théorie de la gravité n'a pas été rigoureusement testée jusqu'à présent. J'ai démontré que cette approche présente plusieurs avantages uniques :elle est indépendante du modèle de gravité, exempt de biais galactique important et largement non affecté par la physique baryonique.

J'ai utilisé des simulations informatiques de pointe qui recréent un univers virtuel dans un superordinateur. En exécutant et en analysant ces simulations, nous pouvons tester les théories au-delà de la RG et présenter des résultats prometteurs.

En quoi cette approche est-elle particulièrement innovante ?

L'utilisation de grandes simulations de supercalculateurs était auparavant impossible dans les modèles hors-GR, en raison de leur complexité et de leur coût numérique. Pour atténuer ce problème, nous avons décidé d'utiliser un algorithme d'accélération qui, au prix d'une certaine précision, peut modéliser beaucoup plus efficacement l'évolution de l'Univers.

J'ai réussi à démontrer que, dans le cas des vitesses cosmiques, une telle approche approchée est suffisante pour obtenir des résultats robustes.

Quels sont les résultats les plus importants du projet ?

Indubitablement, le nouvel ensemble de grands, des simulations de pointe de théories alternatives qui permettront des études sans précédent des champs de vitesse cosmiques.

Nous avons déjà démontré que les statistiques d'ordre faible du champ de vitesse des galaxies devraient contenir un signal fort de gravité modifiée. Cependant, nous avons également montré que, mesurer et extraire ce signal, une modélisation dédiée et approfondie de l'impact de nos structures cosmiques proches, comme l'amas de galaxies de la Vierge, sera d'une importance capitale pour le succès de notre méthode.

Qu'espérez-vous encore accomplir avant la fin du projet ?

Nous mettrons en œuvre une modélisation supplémentaire des processus qui déterminent les couleurs des galaxies, luminosité et formes. Cela permettra la création de catalogues de galaxies artificielles montrant ce qui aurait été créé dans un Univers régi par des alternatives à la théorie de la gravité d'Einstein.

De là, nous comparerons nos résultats avec les observations astronomiques existantes et à venir pour fournir de nouveaux tests rigoureux de gravité sur les plus grandes échelles.

Quels ont été les retours de la communauté scientifique jusqu'à présent ?

De nombreux collègues ont exprimé leur intérêt et même leur enthousiasme pour nos résultats lorsque nous les avons présentés lors de conférences cosmologiques internationales. Par ailleurs, nous avons entamé de nouvelles collaborations avec des collègues qui ont une expertise complémentaire dans les observations de galaxies (de Lyon en France) et dans la modélisation des structures cosmiques voisines (des collègues de Potsdam en Allemagne). Nous sommes très enthousiastes à ce sujet.

Quel sera, selon vous, l'impact à long terme du projet ? Comment prépare-t-elle la communauté scientifique à l'ère des grandes données cosmologiques ?

GalaxyDance fournira une nouvelle façon de faire des tests cosmologiques des théories gravitationnelles une réalité. Les résultats définitifs, quelle que soit la théorie (énergie noire ou gravité modifiée) qu'ils privilégient, aura des conséquences de grande envergure et révolutionnaires pour notre compréhension de l'Univers aux plus grandes échelles.

Si nos tests finissent par fournir une signature de la nouvelle physique prévue dans les théories au-delà des GR, cela ébranlera notre vision et notre compréhension actuelles de l'évolution à grande échelle du cosmos. Si, d'autre part, notre enquête renforce la relativité générale, cela signifiera que nous devons chercher plus loin pour expliquer le mystère de l'énergie noire.