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La théorie de la relativité générale d'EinsteinEinstein est bien testée grâce à différents phénomènes : le retard des horloges, sur Terre, le mouvement des planètes du Système solaire et celui des pulsars binairesbinaires. Toutefois, le niveau de précision des tests reste bien inférieur à celui de la Rolls-Royce des théories physiques, l'électrodynamique quantiqueélectrodynamique quantique de Feynman-Tomonaga-Schwinger.
Lorsque l'on change d'échelle et que l'on passe au niveau des galaxiesgalaxies et des amas de galaxiesamas de galaxies, les choses deviennent plus problématiques. De fait, des anomaliesanomalies au niveau des courbes des vitesses de rotationvitesses de rotation des étoilesétoiles dans les galaxies spiralesgalaxies spirales et la paradoxale stabilité des amas de galaxies requièrent soit une composante de massemasse supplémentaire non lumineuse, soit une modification à ces échelles de la loi en 1/r2 décrivant l'attraction gravitationnelle entre les corps.
Beaucoup de physiciensphysiciens des hautes énergiesénergies sont favorables à l'idée qu'il existe effectivement des particules inconnues, pas encore observées dans les accélérateurs ni dans les rayons cosmiquesrayons cosmiques (le LHCLHC et le détecteur AMS devraient nous en apprendre plus à ce sujet dans les années à venir). Ces particules seraient à l'origine de cette composante de matièrematière supplémentaire. Ne pouvant émettre de lumièrelumière, cette matière est dite noire.
Pour d'autres physiciens, postuler des particules inconnues, quasiment invisibles, et constituant, de plus, la majorité de la matière dans l'UniversUnivers est passablement dérangeant. Voilà un procédé qui ressemble trop aux épicycles de PtoléméePtolémée...
Ils ont donc proposé une modification de la théorie de la gravitationgravitation de NewtonNewton, baptisée Mond. Cette théorie peut effectivement rendre compte des anomalies au niveau des galaxies et elle rend même mieux compte de certaines observations au niveau des galaxies nainesgalaxies naines. En revanche, au niveau des amas de galaxies, et encore plus lorsque l'on considère la formation des grandes structures au début de l'Univers observable, les mesures lui sont nettement moins favorables.
Il y a probablement pire. Passe encore de modifier la loi en 1/r2 de Newton mais s'il faut en plus se passer de la théorie de la relativité restreinterelativité restreinte, et donc de la théorie de la relativité générale, cela conduit là aussi à bâtir des épicycles... C'est pourquoi Jacob Bekenstein, bien connu pour ses travaux sur l'entropieentropie des trous noirstrous noirs, avait réussi à construire une variante de la théorie de la relativité générale d'Einstein dénommée Tensor VectorScalar theory, ou en abrégé TeVeS theory.
Les opposants à la théorie de la matière noirematière noire invoquent souvent cette théorie mais elle n'est pas la seule modification relativiste possible de la théorie de la gravitation, il y a aussi les théories f(R).
R désigne ce qu'on appelle le scalaire de courbure de l'espace-tempsespace-temps dans la théorie relativiste de la gravitation. A lui seul, il permet de dériver la théorie d'Einstein en utilisant une technique mathématique puissante, le calcul variationnelcalcul variationnel. Or, de même qu'un polynômepolynôme p(X) peut être approximé par une formule en a+bX lorsque X est petit, on pouvait penser que le terme en R dont dérivaient les équationséquations d'Einstein n'était que l'approximation d'une fonction f(R) plus compliquée.
Comment départager de façon fiable ces théories à l'échelle des galaxies et des amas de galaxies ?
Cliquer pour agrandir. Jacob Bekenstein devant des équations de la théorie Mond. Crédit : Wikipedia Commons
La théorie d'Einstein pimentée de matière noireet d'énergie noire explique remarquablement les observations
La réponse semble bien avoir été trouvée par une équipe de chercheurs des universités de Zurich, Princeton et Berkeley ainsi que du Caltech dans une publication de Nature, aussi disponible sur arXivarXiv.
Les astrophysiciensastrophysiciens ont consulté les données récoltées concernant plus de 70.000 galaxies par le célèbre Sloan Digital Sky Survey. La campagne d'observations du SDSS a en effet permis de connaître la répartition et la forme d'un très grand nombre de galaxies à plusieurs milliards d'années-lumièreannées-lumière.
Or, en fonction des caractéristiques des théories de la gravitation adaptées à la description du monde des galaxies à grande échelle, les prédictions de la façon dont les amas de galaxies sont rassemblés en de grandes structures et l'effet de déformation des images des galaxies par les masses présentes (ce qu'on appelle l'effet de lentille gravitationnellelentille gravitationnelle faible) ne sont pas les mêmes.
Certes, il faudrait a priori tenir compte de la taille des fluctuations de densités initiales à l'origine des galaxies et des détails des processus non linéaires ayant fait croître les structures. Mais, remarquablement, il existe une quantité, notée EG, qui ne dépend que des caractéristiques des théories de la gravitation employées. On l'obtient en combinant les observations des effets de lentilles gravitationnelles faibles des galaxies avec celles des caractéristiques des amas de galaxies. Le résultat est spectaculaire.
Alors que la théorie d'Einstein utilisant la matière noire et une constante cosmologiqueconstante cosmologique lambda (la fameuse énergie noireénergie noire) prédit correctement la valeur de EG observée dans un rayon de 3,5 milliards d'années-lumière, la théorie TeVeSTeVeS échoue complètement !
Les théories de type f(R) font un peu mieux, elles restent compatibles avec les observations aux erreurs de mesure près, mais elles font moins bien que la théorie d'Einstein. La théorie de la relativité générale d'Einstein ainsi que celle de la matière noire en sortent renforcées. Il y a gros à parier que l'on ne va pas tarder à découvrir des particules supersymétriques au LHC. Celles-ci restent les candidates les plus probables pour expliquer la nature de la matière noire.
