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La cosmologiste Camille Bonvin travaille depuis dix ans sur une méthode pour mesurer comment le temps se distord dans l'Univers: cela va lui permettre de savoir si Albert Einstein avait bien raison avec sa théorie de la relativité générale, formulée en 1915.
L'espace, c'est prouvé, se tord sous l'effet d'objets très massifs, comme des galaxies, des trous noirs ou des amas galactiques, par exemple. Mais, jusqu'à présent, il n'était pas possible de mesurer comment le temps est modifié, car il est inextricablement lié à l'espace dans le tissu du cosmos, soit l'espace-temps. Le travail de la professeure associée Camille Bonvin et de son groupe du Département de physique théorique de la Faculté des sciences de l'UNIGE a été publié jeudi dans: il s'attaque à ce problème.
Un gros gâteau de gélatine
Simulation animée d'un trou noir glissant devant une galaxie lointaine: l'effet de lentille gravitationnelle est visible lors de son passage. [Urbane Legend/Alain r - Wikimedia/GNU Free Documentation License]Oui, le temps et l'espace sont liés. C'est Albert Einstein qui l'a énoncé et ainsi formulé cette notion d'espace-temps qui constitue notre Univers. Pour comprendre ce que c'est, imaginons un gros gâteau de gélatine dans lequel sont incrustés de multiples objets: des planètes, des étoiles, des galaxies, des trous noirs... Chacun d'entre eux déforme son environnement, soit la structure-même de l'Univers.
Si bien qu'un rayon de lumière venant d'une étoile lointaine verra son chemin courbé s'il fonce en direction d'une grosse masse: il la contournera et pourra être perçu de l'autre côté par une personne qui observerait le ciel en sa direction. Cet effet vient de la gravitation, comme décrite par Einstein, et se nomme une lentille gravitationnelle (lire encadré).
Avant ce grand scientifique, il y en eut un autre au XVIIIe nommé Leonhard Euler qui s'est attelé à calculer le mouvement et la vitesse des galaxies dans le cosmos. Sa célèbre équation était déjà une révolution dans le domaine de la physique, avant E=MC2.
>> Regarder une vidéo de ScienceClic illustrant la relativité générale et l'espace-temps:
Matière et énergie noires
Toutefois, malgré les importants travaux de ces deux savants, deux grands mystères subsistent: les raisons qui poussent l'Univers à accélérer son expansion et la composition de la matière noire, cet élément constituant environ 85% à 95% de l'Univers observable (lire encadré), qui a un effet gravitationnel mais ne se comporte pas du tout comme la matière ordinaire – aussi appelée matière baryonique.
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Pour l'accélération de l'Univers, découverte en 1998, Camille Bonvin résume à la RTS: "Soit il existe une nouvelle forme d'énergie, soit la relativité générale est fausse et il faut trouver une autre théorie de la gravité."
Quant à la matière noire, elle ne semble pas interagir avec elle-même – contrairement à la baryonique qui s'accrète pour former des planètes, des étoiles, etc. – ni avec ce qui l'entoure: "Mais on la sent gravitationnellement. C'est elle qui forme les halos des galaxies", souligne la cosmologiste. "Il existe des théories sur cette matière noire, mais pas de test probant. On sait que la gravitation agit sur elle, mais peut-être différemment que sur la matière ordinaire. La matière noire interagit-elle avec l'énergie noire? Une radiation noire? Est-ce qu'elle subit une cinquième force?" Celle-ci serait une force additionnelle, différentes des quatre déjà connues qui sont l'électromagnétisme, les forces faible et forte qui régissent l'interaction des particules élémentaires, ainsi que la gravité.
Démêler le temps de l'espace
Pour débrouiller ces problèmes, il faut donc réussir à comprendre si le temps se distord de façon différente de l'espace. Jusqu'à présent, les scientifiques ne pouvaient pas dissocier les deux et il était toujours question de mesurer la somme de la distorsion de l'espace et du temps.
"C'était une importante limitation, car avec cette mesure seule, on n'est pas capable de différencier un Univers dans lequel la gravitation n'obéit pas à la théorie d'Einstein, d'un Univers où la matière noire n'obéit pas à l'équation d'Euler. Ces sont deux scénarios, car ils ont un même impact sur l'Univers, même si leur problématique est très différente. Avec les méthodes actuelles, si on voit quelque chose de différent, on ne peut pas dire si c'est dû à une gravitation modifiée ou si c'est une autre force qui n'agirait que sur la matière noire", précise Camille Bonvin.
>> Une visualisation de l'espace-temps en 3D, avec un corps en mouvement le déformant en fonction de sa masse:
La première auteure de l'étude a trouvé qu'avec la distorsion du temps, les deux problématiques de l'expansion accélérée de l'Univers et de la composition de la matière noire allaient pouvoir être différenciées: "Car on peut tester et comparer la distorsion du temps avec la somme de la distorsion de l'espace et du temps. Si on trouve une différence entre ces deux, on sait que la gravitation est modifiée et, donc, que la théorie de la relativité générale n'est pas valable sur les très grandes distances."
Et la distorsion du temps pourra être comparée avec la vitesse des galaxies: "Ça nous permet de tester l'équation d'Euler qui montre les déplacements dans l'Univers: là, s'il existe une différence, c'est qu'il y a une force supplémentaire qui s'applique sur la matière noire."
De nouvelles mesures
Désormais, de nouvelles mesures précises seront possibles avec de nouveaux instruments qui permettront de faire le tri parmi toutes les hypothèses. Camille Bonvin attend avec impatience les données qui seront apportées par le, lancé le 1er juillet de Cap Canaveral, en Floride, par l'Agence spatiale européenne (ESA) en collaboration avec l'UNIGE. Le projet international de radiotélescope géant SKA, , en Afrique et en Australie, apportera aussi sa contributions avec des observations qui débuteront en 2028-29.
En attendant, les scientifiques épluchent les data fournies par, l'instrument spectroscopique pour l'énergie noire, qui a commencé sa mission de cinq ans en Arizona en 2021. La méthode théorique, pour mesurer la distorsion du temps, a déjà été testée sur , un programme informatique très puissant permettant de simuler l'Univers en relativité générale, une simulation bien plus complexe et complète que si elle se basait uniquement sur la physique de Newton.
"Le catalogue de galaxies synthétiques a permis de montrer que la méthode marchait", assure la scientifique: "C'est rassurant parce que cela nous dit qu'il y a de bonnes chances que cela va aussi marcher sur les données."
>> Regarder aussi "Aux confins de l'espace-temps: La théorie d'Einstein mise à l'épreuve", la leçon d'ouverture du semestre de printemps 2023 par Camille Bonvin, sur sa chaîne YouTube:
Stéphanie Jaquet
L'effet loupe et déformant des lentilles gravitationnelles
Sur cette photographie, la gravité d'une galaxie rouge lumineuse a déformé la lumière d'une galaxie bleue beaucoup plus éloignée: c'est l'effet dit de lentille gravitationnelle.
La galaxie d'avant-plan, LRG 3-757, extrêmement massive, se trouve directement devant une galaxie plus lointaine. En raison du passage de la lumière de la galaxie d'arrière-plan à travers le champ de gravité de la galaxie d'avant-plan, la lumière de la galaxie d'arrière-plan est lentillée par l'environnement spatio-temporel déformé de la galaxie d'avant-plan. Cela donne à la galaxie d'arrière-plan une apparence déformée. [ESA/Hubble - APOD/NASA]
En général, une telle déformation donne lieu à deux images discernables de la galaxie lointaine mais, ici, l'alignement de la lentille est si précis que la galaxie d'arrière-plan est déformée en un fer à cheval – un anneau presque complet.
Cet effet de lentille ayant été prédit en détail par Albert Einstein il y a plus de 70 ans, les anneaux de ce type sont aujourd'hui connus sous le nom des "anneaux d'Einstein".
L'accélération de l'expansion de l'Univers
C'est en 1998, grâce à l'observation de supernovæ distantes, que deux équipes scientifiques internationales, menées par les Américains Saul Permutter, Brian Schmidt et Adam Reiss, ont découvert que l'expansion de l'Univers s'accélérait. Une trouvaille qui leur a valu le.
L'implication de la découverte est que trois quarts de l'Univers est constitué d'une forme d'énergie inconnue appelée énergie noire (dark energy); avec la matière noire (dark matter), également inconnue, cela forme environ 95% de l'Univers. Les 5% restants sont de la matière ordinaire, dite baryonique, qui constitue les galaxies, les étoiles, les fleurs et les êtres humains. [Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences - nobelprize.org]"Durant les huit premiers milliards d’années de l’évolution de l’Univers, l'expansion ralentit, et puis, autour de huit milliards d’années, quelque chose se passe et l’expansion se met à s’accélérer. C’est quelque chose de très étrange et, aujourd’hui, on ne comprend toujours pas vraiment ce qu’il se passe", explique Camille Bonvin au micro de CQFD.
La constatation que l'Univers se dilatait à un rythme toujours plus rapide a été une surprise totale pour les lauréats du Nobel eux-mêmes. Les fondations de la cosmologie venaient d'être grandement secouées.
L'expansion de l'Univers a commencé avec le Big Bang, il y a 13,8 milliards d'années. Les scientifiques pensent que l'accélération est due à l'énergie noire, mais sa nature reste une des plus grandes énigmes en astrophysique. La seule chose qui semble sûre, c'est que l'énergie noire constitue environ les trois quarts de l'Univers, alors qu'au départ, elle ne composait qu'un petite partie de l'Univers. Mais au fur et à mesure que la matière se diluait dans l'expansion, l'énergie noire devenait plus dominante.