La force de la gravité est 1 % plus faible qu’elle ne devrait l’être, ce qui pourrait expliquer l’étrange comportement de l’univers

• Des physiciens de l’université de Waterloo suggèrent que la gravité pourrait être 1 % plus faible sur des distances de plusieurs milliards d’années-lumière, expliquant certaines incohérences cosmiques observées depuis plus de 20 ans.
• Cette hypothèse n’invalide pas la relativité générale d’Einstein ; elle propose seulement un ajustement très limité aux plus grandes échelles, tandis que la théorie conserverait son efficacité dans le Système solaire et sur Terre.
• L’équipe modifie un paramètre associé à la force gravitationnelle dans le cadre du modèle cosmologique standard, ce qui pourrait expliquer les divergences de mesures observées entre la théorie et les données sur l’expansion de l’univers.

• 1915 : Formulation de la théorie de la relativité générale par Albert Einstein
• 11 mai 2024 : Publication de l’article sur les travaux de l’université de Waterloo dans le magazine Muy Interesante
• 13 mai 2024 : Actualisation de l’article deux jours après sa publication initiale

Au Canada, des chercheurs proposent une piste pour éclairer des écarts observés à l’échelle des amas de galaxies et du cosmos.

Publié le 11 mai 2024 et actualisé deux jours plus tard, l’article du magazine scientifique espagnol Muy Interesante revient sur des travaux menés notamment à l’université de Waterloo. Leur hypothèse ne renverse pas la relativité générale : elle suggère un ajustement très limité de la gravité, perceptible seulement sur des distances vertigineuses.

Une anomalie à l’échelle de l’univers

La gravité est la force qui organise les trajectoires des planètes, maintient les étoiles dans les galaxies et structure les grands ensembles cosmiques. Depuis plus d’un siècle, la relativité générale d’Albert Einstein fournit le cadre de référence pour la décrire.

Formulée en 1915, cette théorie ne présente pas la gravité comme une force ordinaire. Elle l’interprète comme une courbure de l’espace-temps produite par la matière et l’énergie. Plus un objet est massif, plus il déforme l’espace-temps autour de lui. Les autres objets suivent alors cette géométrie courbe.

Ce cadre théorique a franchi de nombreux tests. Il permet notamment de comprendre la déviation de la lumière près d’objets très massifs. Les systèmes de géolocalisation par satellite doivent aussi intégrer des corrections liées à la relativité pour conserver leur précision.

Les chercheurs estiment que la gravité pourrait s’affaiblir d’environ 1 % sur des distances de plusieurs milliards d’années-lumière.

Cette différence, minuscule à première vue, prend une tout autre dimension lorsqu’elle concerne l’expansion de l’univers et les mouvements de galaxies séparées par des distances immenses. L’équipe parle d’une « anomalie cosmique » de la gravité.

Une théorie qui resterait valable près de nous

Les auteurs ne soutiennent pas que la relativité générale serait erronée dans son ensemble. Leur proposition vise les très grandes échelles, à partir des amas de galaxies et au-delà. Dans le Système solaire, sur Terre ou dans les applications technologiques actuelles, les équations d’Einstein conserveraient leur efficacité.

Robin Wen, principal auteur du projet et diplômé en physique mathématique de l’université de Waterloo, rappelle dans l’étude publiée par la revue Journal de cosmologie et de physique des astroparticules : « Ce modèle de gravité a été essentiel pour tout, de la théorie du Big Bang à la photographie des trous noirs. »

Les chercheurs cherchent donc à résoudre des incohérences apparentes entre certaines mesures cosmologiques et les prévisions théoriques. Elles suscitent des interrogations depuis plus de vingt ans.

• La relativité générale décrit avec une grande précision de nombreux phénomènes observables.
• À l’échelle cosmique, certaines mesures restent difficiles à faire coïncider avec le modèle standard.
• La correction envisagée serait faible et ne s’appliquerait qu’aux distances les plus vastes.

Pourquoi les galaxies sont au cœur du problème

Niayesh Afshordi, professeur d’astrophysique à l’université de Waterloo et chercheur à l’Institut Perimeter, rappelle que les astronomes ont établi depuis près d’un siècle que l’univers est en expansion.

« Plus les galaxies sont éloignées, plus elles s’éloignent rapidement, jusqu’à sembler se déplacer presque à la vitesse de la lumière, la limite fixée par la théorie d’Einstein », explique-t-il. Selon lui, « notre découverte suggère que, à ces mêmes échelles, la théorie d’Einstein pourrait aussi être insuffisante ».

Ce constat ne signifie pas que les galaxies dépassent réellement la vitesse de la lumière dans l’espace. Dans le cadre cosmologique, c’est l’expansion de l’espace entre elles qui intervient. Cette nuance aide à comprendre pourquoi les très grandes distances posent des questions particulières aux physiciens.

Un ajustement de la constante gravitationnelle

Pour rendre compte de l’écart identifié, l’équipe propose de modifier un paramètre associé à la force gravitationnelle. Cette adaptation permettrait de faire varier légèrement l’intensité effective de la gravité à des échelles cosmologiques.

Les scientifiques présentent cette idée comme une extension du modèle cosmologique usuel, souvent appelé modèle lambda de matière noire froide. Ce cadre rassemble plusieurs composantes : la matière ordinaire, la matière noire froide et l’énergie sombre, utilisée pour décrire l’accélération de l’expansion cosmique.

Dans cette approche, l’ajustement ne viendrait pas perturber les réussites expérimentales déjà établies. Il fonctionnerait plutôt comme une précision supplémentaire dans les situations où les distances deviennent gigantesques.

Pour les auteurs, cette modification pourrait aider à traiter certaines divergences de mesures sans abandonner les acquis de la relativité générale.

Niayesh Afshordi décrit cette piste comme « notre premier indice pour résoudre une énigme cosmique plus vaste qui s’étend sur les immenses étendues de l’espace et du temps ».

Ce que ces travaux impliquent en France

En France, la relativité générale reste elle aussi le cadre central de la recherche sur la gravitation, les trous noirs, les ondes gravitationnelles et la cosmologie. Des organismes publics comme le CNRS participent à ces recherches fondamentales, souvent au sein de collaborations internationales.

Cette étude canadienne ne change donc aucune règle concrète pour le grand public. Elle concerne la manière dont les scientifiques modélisent l’univers à très grande échelle. Les technologies de navigation par satellite, par exemple, continuent de reposer sur les corrections relativistes connues et validées.

Comprendre l’échelle évoquée

Une année-lumière désigne la distance parcourue par la lumière en une année. Employer l’expression « milliards d’années-lumière » revient ainsi à parler d’objets dont la lumière a voyagé pendant des milliards d’années avant d’atteindre les instruments d’observation.

À ces distances, les astronomes ne regardent pas seulement loin dans l’espace : ils observent aussi des périodes très anciennes de l’histoire cosmique. Une variation de 1 % peut alors influencer les calculs portant sur la formation des grandes structures, l’évolution des amas de galaxies et le rythme d’expansion de l’univers.

La proposition devra encore être confrontée à de nouvelles observations et à d’autres modèles. C’est ainsi que progresse la physique : une théorie solide demeure utile, tout en étant soumise à des tests toujours plus précis lorsque les instruments ouvrent l’accès à de nouveaux horizons.