Publiée en 1915, la théorie de la relativité générale (GR) d'Einstein a passé son premier grand test quelques années plus tard, lorsque la déviation gravitationnelle prévue de la lumière passant près du Soleil a été observée pendant l'éclipse solaire de 1919.
En 1960, GR a passé son premier grand test dans un laboratoire, ici sur Terre; l'expérience Pound-Rebka. Et au cours des neuf décennies qui ont suivi sa publication, GR a réussi test après test après test, toujours avec brio (consultez cette revue pour un excellent résumé).
Mais les tests ont toujours été effectués dans le système solaire, ou indirects.
Maintenant, une équipe dirigée par des scientifiques de l'Université de Princeton a testé la GR pour voir si elle se vérifie à l'échelle cosmique. Et, après deux ans d’analyse des données astronomiques, les scientifiques ont conclu que la théorie d’Einstein fonctionne aussi bien sur de grandes distances que dans des régions plus locales de l’espace.
L’analyse des scientifiques de plus de 70 000 galaxies montre que l’univers - au moins à une distance de 3,5 milliards d’années-lumière de la Terre - respecte les règles établies par Einstein dans sa célèbre théorie. Bien que la GR ait été acceptée par la communauté scientifique depuis plus de neuf décennies, jusqu'à présent, personne n'avait testé la théorie de manière aussi approfondie et robuste à des distances et à des échelles qui dépassent largement le système solaire.
Reinabelle Reyes, étudiante diplômée de Princeton au Département des sciences astrophysiques, ainsi que les co-auteurs Rachel Mandelbaum, chercheur associé, et James Gunn, professeur Eugene Higgins d'astronomie, ont présenté leur évaluation dans l'édition du 11 mars de Nature.
Tobias Baldauf, Lucas Lombriser et Robert Smith de l'Université de Zurich et Uros Seljak de l'Université de Californie-Berkeley sont d'autres scientifiques qui collaborent à ce document.
Les résultats sont importants, ont-ils déclaré, car ils étayent les théories actuelles expliquant la forme et la direction de l'univers, y compris les idées sur l'énergie sombre, et dissipent certains indices d'autres expériences récentes que la relativité générale peut être erronée.
"Toutes nos idées en astronomie sont basées sur cette extrapolation vraiment énorme, donc tout ce que nous pouvons faire pour voir si cela est vrai ou non à ces échelles est tout simplement extrêmement important", a déclaré Gunn. «Cela ajoute une autre brique à la fondation qui sous-tend ce que nous faisons.»
GR est l'une des deux théories fondamentales qui sous-tendent toute l'astrophysique et la cosmologie contemporaines (l'autre est le modèle standard de la physique des particules, une théorie quantique); il explique tout, des trous noirs au Big Bang.
Ces dernières années, plusieurs alternatives à la relativité générale ont été proposées. Ces théories modifiées de la gravité s'écartent de la relativité générale à grande échelle pour contourner le besoin d'énergie sombre, de matière noire ou les deux. Mais parce que ces théories ont été conçues pour correspondre aux prédictions de la relativité générale sur l'histoire de l'expansion de l'univers, un facteur qui est au cœur des travaux cosmologiques actuels, il est devenu crucial de savoir quelle théorie est correcte, ou du moins représente la réalité au mieux peut être approximé.
"Nous savions que nous devions examiner la structure à grande échelle de l'univers et la croissance de structures plus petites le composant au fil du temps pour le découvrir", a déclaré Reyes. L'équipe a utilisé les données du Sloan Digital Sky Survey (SDSS), un projet de télescope multi-institutions à long terme cartographiant le ciel pour déterminer la position et la luminosité de plusieurs centaines de millions de galaxies et quasars.
En calculant le regroupement de ces galaxies, qui s'étendent sur près du tiers de la limite de l'univers, et en analysant leurs vitesses et distorsions par rapport aux matériaux intermédiaires - en raison de la lentille faible, principalement de la matière noire - les chercheurs ont montré que l'Einstein la théorie explique mieux l'univers proche que les théories alternatives de la gravité.
Les scientifiques de Princeton ont étudié les effets de la gravité sur les galaxies SDSS et les amas de galaxies sur de longues périodes. Ils ont observé comment cette force fondamentale pousse les galaxies à s'agglutiner dans de plus grandes collections de galaxies et comment elle façonne l'expansion de l'univers.
De manière critique, parce que la relativité nécessite que la courbure de l'espace soit égale à la courbure du temps, les chercheurs pourraient calculer si la lumière a été influencée en quantités égales par les deux, comme cela devrait être le cas si la relativité générale est vraie.
"C'est la première fois que ce test est effectué, c'est donc une preuve de concept", a déclaré Mandelbaum. «D'autres levés astronomiques sont prévus pour les prochaines années. Maintenant que nous savons que ce test fonctionne, nous serons en mesure de l'utiliser avec de meilleures données qui seront bientôt disponibles pour restreindre plus étroitement la théorie de la gravité. »
Raffermir les pouvoirs prédictifs des ressources génétiques peut aider les scientifiques à mieux comprendre si les modèles actuels de l'univers ont un sens, ont déclaré les scientifiques.
"Tout test que nous pouvons faire pour renforcer notre confiance dans l'application de ces très belles choses théoriques mais qui n'ont pas été testées à ces échelles est très important", a déclaré Gunn. «Cela aide certainement lorsque vous essayez de faire des choses compliquées pour comprendre les fondamentaux. Et c'est une chose très, très, très fondamentale. »
"La bonne chose à propos de l'échelle cosmologique est que nous pouvons tester toute théorie alternative de la gravité, car elle devrait prédire les choses que nous observons", a déclaré le co-auteur Uros Seljak, professeur de physique et d'astronomie à UC Berkeley. et un professeur au Lawrence Berkeley National Laboratory qui est actuellement en congé à l'Institut de physique théorique de l'Université de Zurich. "Ces théories alternatives qui ne nécessitent pas de matière noire échouent à ces tests."
Sources: «Les scientifiques de Princeton disent que la théorie d'Einstein s'applique au-delà du système solaire» (Université de Princeton), «L'étude valide la relativité générale à l'échelle cosmique, l'existence de la matière noire» (Université de Californie à Berkeley), «La confirmation de la relativité générale à grande échelle à partir de faibles lentilles et vitesses des galaxies »(Nature, préimpression arXiv)
