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Un test de précision de la relativité générale

Bien que la célèbre théorie de la relativité générale d’Einstein décrive avec précision le mouvement des corps célestes dans notre système solaire, la loi de la gravitation à l’échelle du cosmos reste moins bien comprise. En particulier, une manière d’expliquer l’expansion accélérée de l’Univers consiste à modifier la théorie de la gravitation à grande distance. Dans une étude publiée dans Physical Review Letters, une équipe de chercheurs de l’±«²Ô¾±±¹±ð°ù²õ¾±³Ùé de Genève et de l’±«²Ô¾±±¹±ð°ù²õ¾±³Ùé de Toulouse a conçu une nouvelle méthode pour tester avec précision la relativité générale à l’échelle du cosmos en combinant les vitesses des galaxies et les distorsions de l’espace-temps.

Sur Terre, la loi de la gravitation peut être testée avec précision dans des expériences de laboratoire. De même, notre système solaire offre un cadre idéal pour vérifier la théorie de la relativité générale : en suivant précisément les orbites des corps célestes, comme la planète Mercure, les prédictions d’Einstein ont été confirmées avec une grande précision. Cependant, au-delà des échelles du système solaire et des galaxies individuelles, tester la gravitation devient plus difficile et nécessite des méthodes spécifiques. Une possibilité est d’exploiter l’effet de lentillage gravitationnel faible : lorsque la lumière provenant de galaxies lointaines traverse l’Univers pour atteindre nos télescopes, elle est influencée par la présence de matière le long de son trajet. « Plus précisément, dans le langage de la relativité générale, les trajectoires des particules de lumière sont affectées par la présence de distorsions de l’espace-temps causées par la matière », explique Nastassia Grimm, chercheuse postdoctorale à l’±«²Ô¾±±¹±ð°ù²õ¾±³Ùé de Genève et première auteure de l’étude. La déviation de la lumière qui en résulte génère de légères distorsions dans les formes observées des galaxies, que l’on peut déduire statistiquement en combinant des millions de galaxies. « Mesurer ces déformations des galaxies nous renseigne sur l’amplitude des distorsions de l’espace-temps, et donc sur la loi fondamentale de la gravitation qui les relient à la matière », résume Grimm. Dans un travail précédent publié dans Nature Communications, les chercheurs de Toulouse et Genève ont exploité ce fait pour mesurer l’évolution du potentiel de Weyl, fournissant une mesure robuste des distorsions de l’espace-temps à différentes époques de l’histoire de l’Univers.

Une deuxième façon pour les scientifiques de sonder la gravitation est d’étudier les vitesses des galaxies. « Les vitesses des galaxies sont influencées par la gravitation, causée par d’autres galaxies présentes dans l’univers », explique Camille Bonvin, professeure associée à l’±«²Ô¾±±¹±ð°ù²õ¾±³Ùé de Genève et co-auteure de l’étude. « Cela engendre un mouvement cohérent subtil des galaxies, qui dépend des lois spécifiques de la gravité qui régissent l’Univers », ajoute-t-elle. Bien que les vitesses des galaxies lointaines ne puissent pas être mesurées directement, les scientifiques peuvent utiliser un phénomène connu sous le nom de distorsions dans l’espace des redshifts : les grandes structures formées par les galaxies semblent compressées le long de la ligne de visée, un effet causé par l’influence des vitesses des galaxies sur la façon dont leurs positions sont observées.

Les distorsions dans l’espace des redshifts et le lentillage gravitationnel peuvent être combinés en un test de la gravité appelée la statistique E_G, qui consiste à comparer la manière dont les galaxies se déplacent avec celle dont la géométrie de l’espace-temps est déformée. Alors que, dans la relativité générale, cette relation est spécifiquement prédite, une modification de la gravitation briserait ce lien. Dans leur récent travail, les scientifiques de Genève et Toulouse ont développé et appliqué une nouvelle méthode pour mesurer la statistique E_G en utilisant les distorsions dans l’espace des redshifts en combinaison avec l’évolution du potentiel de Weyl. « Avec notre nouvelle méthode, nous avons atteint une amélioration considérable de la précision par rapport aux mesures précédentes de la statistique E_G. Cette avancée peut nous aider à mieux comprendre comment la gravitation se comporte sur de vastes distances », affirme Bonvin.

Bien que les nouvelles mesures de la statistique E_G ne révèlent aucune déviation significative de la théorie d’Einstein, ils appellent à la prudence avant de tirer des conclusions définitives sur l’absence ou la présence de modifications de la gravité. « La mesure du potentiel de Weyl à elle seule montre une légère tension avec les prédictions de la relativité générale. Prendre le rapport du potentiel avec les vitesses pour construire E_G augmente l’incertitude, diminuant ainsi la tension », commente Isaac Tutusaus, professeur associé à l’±«²Ô¾±±¹±ð°ù²õ¾±³Ùé de Toulouse et co-auteur de l’étude. « La nouvelle génération de relevés, tels que la mission Euclid, l’Observatoire Vera C. Rubin ou l’Instrument Dark Energy Spectroscopic Instrument, devrait fournir des données cosmologiques d’une richesse et d’une précision sans précédent dans les années à venir, nous permettant d’améliorer considérablement la mesure de E_G », conclut-il.

Avec leurs travaux, les chercheurs de Genève et Toulouse ont franchi une étape cruciale vers des tests robustes de la gravitation, ouvrant la voie à une compréhension plus profonde des lois fondamentales de la physique qui régissent notre cosmos.

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