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Il y a trois ans, l’astrophysicien Tom Collett a entrepris de tester une théorie. Pas une simple théorie, mais celle qui détermine la manière dont l’univers fonctionne dans son ensemble: la relativité générale d’Einstein. D’abord publiée en 1915, cette théorie décrit mathématiquement comment la gravité émerge de la géométrie de l’espace et du temps, ou l’espace-temps, comme l’appellent les physiciens. Elle postule que des objets denses, comme la Terre et le Soleil, créent des creux dans l’espace-temps qui se manifestent sous la forme d’une gravité – la force qui lie les étoiles d’une galaxie, et déplace les planètes autour des soleils et qui maintient sur Terre les individus.

La théorie d’Einstein validée

Les équations d’Einstein sous-tendent une foule d’applications du monde réel tel que les satellites de positionnement qui permettent une navigation précise et des transactions financières en une fraction de seconde autour de la planète. Elle élucide également plusieurs phénomènes inexplicables, dont l’orbite excentrique de Mercure, et en prédisent de nouveaux phénomènes, comme les ondes gravitationnelles – des ondes dans l’espace-temps qui n’ont été observées directement qu’un siècle après les débuts de la relativité générale. Qque ce soit ici sur Terre ou dans les observations de l’univers lointain, la théorie est demeurée indemne – un succès si incroyablement qu’elle attire plusieurs scientifiques, chacun cherchant à révéler des fissures dans la théorie d’Einstein.

Tom Collett, un chercheur à l’Université de Portsmouth en Angleterre, est parmi eux. «La relativité générale est si fondamentale pour les hypothèses que nous posons dans notre interprétation des ensembles de données cosmologiques et astrophysiques que nous ferions mieux de nous assurer qu’elle est exacte», explique-t-il. Avec cet état d’esprit, Collett s’est associé en 2015 avec neuf collègues pour réaliser l’expérience la plus incroyable pour tester si la célèbre théorie d’Einstein fonctionne à l’échelle d’une galaxie. Leurs résultats, publiés le 21 juin dans Science, réitèrent que la théorie d’Einstein règne toujours en maître.

Elle n’explique pas tout parfaitement

Même si  à certains égards elle est incomplète, et peut-être même fondamentalement défectueuse: elle ne peut pas, par exemple, expliquer les conditions à l’intérieur d’un trou noir ou pendant les premiers instants du Big Bang. Cette théorie a aussi une relation compliquée avec un principe fondamental de l’astronomie et de la cosmologie modernes – la notion que l’univers est imprégné de matière noire – une substance mystérieuse et invisible qui interagit uniquement avec la matière normale par la gravité.

Pour leur test, Collett et ses collaborateurs se sont concentrés sur deux galaxies, l’une directement devant l’autre par rapport à un observateur terrestre. Conformément à la relativité générale, la grande masse de la galaxie «du premier plan» déformait le tissu de l’espace-temps, formant une «lentille gravitationnelle» qui déformait et amplifiait la lumière de la galaxie du deuxième plan. Mesurez précisément ces distorsions, et vous aurez une bonne idée de la masse que la galaxie du premier plan devrait avoir selon la relativité générale.

Des lentilles gravitationnelles

L’idée clé de Collett était que cette estimation pouvait être facilement vérifiée en surveillant les mouvements des étoiles dans la galaxie du premier plan, ce qui donnait une mesure de la masse indépendante des autres objets cosmiques. Bien que des centaines de lentilles gravitationnelles galactiques soient connues, seules quelques-unes sont suffisamment proches pour permettre à leurs étoiles individuelles d’être vues. À seulement 450 millions d’années-lumière une galaxie de premier plan était un candidat idéal pour de telles observations, explique Collett. « L’original Eureka! C’était quand j’ai réalisé que nous pouvions mesurer cela », explique-t-il.

Ces mesures nécessitaient le rassemblement de la puissance combinée des deux instruments optiques les plus avancés au monde – le télescope spatial Hubble de la NASA en orbite terrestre basse et le « Very Large Telescope » (VLT) de l’Observatoire européen austral dans les Andes chiliennes. L’équipe de Collett a utilisé Hubble pour mesurer la masse de la galaxie de premier plan par l’intermédiaire de lentilles gravitationnelles et le VLT pour mesurer sa masse via les vitesses des étoiles tournoyant autour de ses bords.

Après avoir soigneusement analysé et comparé les données, ils ont trouvé un lien frappant entre ces mesures de masse indépendantes. Avec une marge d’erreur de seulement 9%, ces résultats de l’expérience sont la mesure la plus précise, de la relativité générale au-delà de notre système solaire, à ce jour. Les résultats soutiennent également indirectement la validité de la théorie face à la matière noire, à l’énergie noire et à d’autres étrangetés cosmologiques.

Une précision sans précédent

La valeur réelle de ce nouveau résultat, explique-t-il, vient de son échelle et de sa précision sans précédent, qui sont pertinentes quelle que soit la théorie que l’on préfère. McGaugh devrait savoir ces résultats – il est l’un des chercheurs les plus ouverts d’esprit lorsqu’il s’agit d’alternatives à la matière noire et la description de la gravité de la relativité générale. Il étudie une classe de galaxies diffuses et faibles qui semblent défier certains principes de ces théories. « C’est un autre test que toute théorie que vous voulez construire doit satisfaire », explique-t-il.

Pour l’instant, explique Tommaso Treu, un expert en lentille gravitationnelle à l’Université de Californie à Los Angeles, qui n’est pas affiliée à l’étude de Collett, tous les scientifiques qui luttent pour renverser la théorie inachevée d’Einstein, doivent se rappeler qu’une théorie centenaire serait une réussite extraordinaire qui exigerait des preuves tout aussi extraordinaires. « Tout le monde aimerait prouver qu’Einstein avait tort », explique Treu. « Il n’y a pas de meilleure façon d’être célèbre. »

Ce sentiment est vrai pour Collett, qui explique qu’il avait espéré que les résultats s’écarteraient des attentes établies par la relativité générale. À cette fin, il travaille déjà sur une expérience de suivi, l’une utilisant une lentille gravitationnelle différente légèrement plus éloignée de la Terre pour tester à nouveau la relativité générale. « Le renversement du consensus est généralement très difficile au début, mais il est généralement très payant. », explique Treu.

Source : Scientific American