Pendant des décennies, la théorie de la gravité, issue de la relativité générale,
À cette époque, les chercheurs ont découvert pour la première fois queLe comportement des galaxies lointaines ne correspond pas aux prédictions de la théorie de la gravité. Les distorsions de l'espace-temps provenant d'amas et de systèmes stellaires distants se sont révélées beaucoup plus fortes que la masse de ces objets calculée sur la base des observations.
Plus tard, à la fin des années 1990, des chercheursdécouvert un autre fait inhabituel. Il s'avère que le taux d'expansion de l'univers augmente avec le temps. Cet effet a posé un autre défi à la théorie d'Albert Einstein : les effets gravitationnels de la matière étaient censés ralentir l'expansion de l'univers, pas l'accélérer. Le modèle cosmologique moderne - le modèle ΛCDM - a trouvé des réponses à ces questions, mais les scientifiques ne désespèrent pas de défier le génie de la première moitié du XXe siècle.
Pourquoi les scientifiques pensent-ils que l'univers s'étend à un rythme accéléré ?
L'expansion accélérée de l'univers a été découverte en1998 à la suite des travaux de deux équipes indépendantes à la fois : le Supernova Cosmology Project et le High-Z Supernova Search Group.Les deux groupes de recherche ont étudié l'accélération de l'expansion de l'Univers en analysant les explosions stellaires lointaines.
Les supernovae de type La ont presque les mêmesluminosité normale. En observant la luminosité de tels objets, on peut déterminer à quelle distance ils se trouvent. De plus, à mesure que l'univers s'étend, la lumière des objets distants se déplace vers le côté rouge du spectre. En mesurant le décalage vers le rouge, on peut déterminer à quel point l'univers s'est étendu depuis la supernova.
Les astrophysiciens lors de cesles expériences étaient convaincues que l'Univers devrait s'étendre à un rythme plus lent, après quoi le processus devrait soit s'arrêter, soit commencer à se contracter. Mais le résultat inattendu, auquel les deux groupes de scientifiques sont parvenus indépendamment, a été que l’Univers s’étend à un rythme accéléré.
L'expansion de l'univers a été confirmée plus tardAutres méthodes. La mesure du fond cosmologique micro-onde (traces du Big Bang), les effets de lentilles gravitationnelles et l'analyse des oscillations acoustiques baryoniques confirment l'hypothèse de l'expansion de l'Univers.
En 2007, les deux équipes qui ont découvert l'effet de l'expansion de l'Univers ont reçu le prix Gruber dans le domaine de la cosmologie et en 2011, trois des participants ont reçu le prix Nobel de physique.
Expansion accélérée de l'univers. Image : NASA, STSci, Ann Feild
Comment expliquer l'expansion accélérée ?
Pour expliquer les observations (l'expansion de l'Univers et la plus forte distorsion de l'espace-temps provenant des galaxies lointaines), les scientifiques ont introduit deux nouveaux modèles : la matière noire et l'énergie noire.
La matière noire est une forme hypothétiquela matière, qui, selon les scientifiques, représente environ 85 % de la matière de l'univers. On l'appelle sombre car il n'interagit en aucune façon avec le champ électromagnétique. En d'autres termes, une telle matière ne réfléchit pas, n'absorbe pas ou n'émet pas de lumière et d'autres ondes électromagnétiques. Cependant, il a sa propre masse, et donc l'influence gravitationnelle. L'ajout de matière noire aux modèles cosmologiques aide à expliquer la gravité plus forte des galaxies lointaines.
L'énergie noire est une forme hypothétiquel'énergie, contrairement à la matière noire, est peu connue à son sujet. On pense que l'énergie noire est très homogène, peu dense et ne peut interagir avec aucune des forces fondamentales autres que la gravité. Cette énergie est associée à l'énergie du vide. Si nous supposons qu'à mesure que l'Univers s'étend et que l'espace libre augmente, cette énergie augmente, alors la transition de l'expansion uniforme à l'expansion accélérée peut être expliquée.
Bien que l'hypothèse de l'énergie noire décrive bienles processus observés dans l'Univers, son existence même et son interaction uniquement avec le champ gravitationnel sont difficiles à associer à la théorie de la relativité générale et à la théorie de la gravitation d'Einstein.
Comment tester la théorie ?
Certains chercheurs pensent que si la théoriela gravité ne peut pas expliquer l'énergie noire, peut-être est-elle incomplète, et un paramètre ou une variable supplémentaire doit être ajouté à l'équation qui reliera toutes les observations ensemble. Pour tester cette hypothèse, les scientifiques recherchent dans le passé des signes de violation de la théorie de la gravité.
L'un de ces travaux est la recherche internationalel'énergie sombre à l'aide du télescope Victor Blanco de 4 mètres au Chili. Les résultats de cette observation ont été présentés en août lors de la Conférence internationale sur la physique des particules et la cosmologie (COSMO’22) à Rio de Janeiro.
Les participants à l'étude ont cherché des preuvesle fait que la force de gravité a changé tout au long de l'histoire de l'univers, ou dans le passé lointain. Pour leurs travaux, ils ont utilisé, en plus du télescope principal Blanco, les données du satellite Planck de l'Agence spatiale européenne.
Les astrophysiciens ont étudié des images de galaxies surla présence de distorsions plus subtiles dues à la courbure de l'espace par la matière noire - un effet appelé faible lentille gravitationnelle. La force de gravité détermine la taille et la distribution des structures de matière noire, et la taille et la distribution déterminent à leur tour la courbure de ces galaxies.
En mesurant tous ces paramètres, il est possible de déterminer la forcegravité dans les galaxies lointaines. Et comme leur lumière met des millions et des milliards d'années à nous parvenir, les scientifiques étudient comment la gravité s'est comportée dans le passé.
Les chercheurs ont indiqué qu'ils avaient déjà étudiéforces et formes gravitationnelles dans plus de 100 millions de galaxies, mais dans toutes les expériences, les observations sont pleinement cohérentes avec la théorie d'Einstein. Ainsi, la nature de l'énergie noire reste un mystère.
La lentille gravitationnelle, comme ce que l'on voit dans la première image de James Webb, aide les scientifiques à explorer la matière noire et la gravité dans des systèmes distants. Image : NASA, ESA, ASC, STScI
Et ensuite?
La théorie d'Einstein est toujours valable, mais les chercheurscontinuer à tester sa force. Une nouvelle tentative pour expliquer la nature de l'énergie noire sera réalisée par des missions satellitaires. L'Agence spatiale européenne prévoit de lancer le télescope spatial Euclid en 2023. Les instruments de l'appareil mesureront les redshifts des galaxies situées à différentes distances de la Terre et exploreront la relation entre le redshift et la distance.
Les développeurs s'attendent à ce qu'Euclid puisseregarder en arrière 8 milliards d'années. À l'aide de mesures ultra-précises, il pourra découvrir ce qu'il en était de la gravité, de la matière noire et de l'énergie noire à cette époque.
La NASA prévoit une mission similaire :en 2027, il prévoit de lancer le télescope spatial Nancy Grace Roman en orbite terrestre. Les chercheurs pensent qu'il pourra étudier des galaxies situées à une distance de 11 milliards d'années-lumière et étudier l'univers le plus ancien.
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Couverture : Design Alex Mittelmann, Coldcreation, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons