L'expansion de l'Univers expliquée par une limitation de la relativité générale ?

Des cosmologues de l'Université Princeton ont annoncé une nouvelle technique pour comprendre pourquoi l'expansion de l'Univers se trouve dans une phase d'accélération. La technique proposée pourrait déterminer si l'accélération cosmique est causée par une forme d'énergie nouvelle ou si elle est plutôt due à une rupture de la théorie de la Relativité Générale d'Einstein au niveau des grandes échelles de distance dans l'Univers. Ce résultat a été présenté par le chercheur Mustapha Ishak-Boushaki de l'Université Princeton au New Jersey, à l'occasion du congrès annuel de la Société canadienne d'astronomie de Montréal.


“L'accélération de l'expansion de l'Univers constitue un des plus intrigants problèmes en astrophysique. Ce problème est aussi relié à plusieurs autres domaines de la physique. Nos recherches ont pour objectif de déterminer les causes possibles de cette accélération” déclare le Dr. Ishak-Boushaki.

Durant les 8 dernières années, plusieurs observations astronomiques ont démontré que l'expansion de l'Univers est entrée dans une phase d'accélération. Cette découverte a surpris les astrophysiciens qui prévoyaient établir que l'expansion était plutôt ralentie par l'attraction gravitationnelle causée par la matière ordinaire de l'Univers.

Les cosmologues ont alors introduit la notion d'une nouvelle forme d'énergie - l'énergie sombre - qui produirait une gravitation répulsive plutôt qu'attractive. Cette énergie sombre pourrait alors expliquer l'accélération cosmique.

Cette énergie sombre existe-t-elle ? “On ne le sait pas”, commente le Professeur David Spergel de Princeton. “Cela pourrait être une toute nouvelle forme d'énergie, ou alors l'accélération pourrait être une signature de la rupture de la théorie de la relativité générale d'Einstein. Dans un cas ou dans l'autre, la réponse aurait des implications profondes sur notre compréhension des notions d'espace et de temps. Notre but est d'être capable de distinguer ces deux possibilités”.

Le cas le plus simple d'énergie sombre serait la constante cosmologique qu'Einstein a introduit il y a déjà 80 ans afin de réconcilier sa théorie de la relativité générale avec l'idée fausse qui dominait durant ces années-là, à savoir que l'Univers était statique. Il a dû d'ailleurs retirer cette constante cosmologique suite à la découverte que l'Univers était plutôt en expansion. Durant ces dernières années, le débat sur la constante cosmologique a été remis en avant depuis la découverte de l'accélération cosmique.

Mis à part l'énergie sombre, il est possible que l'accélération cosmique soit la signature d'une nouvelle théorie de la gravitation qui se manifesterait aux plus grandes échelles de distance dans l'Univers. D'ailleurs, certains modèles inspirés de la théorie des super-cordes ont été proposés récemment.

L'idée générale est comme suit: si l'accélération cosmique est causée par l'énergie sombre alors l'expansion de l'Univers devrait être corrélée avec le taux d'accroissement des amas de galaxies. La présence de déviations de cette relation de cohérence serait une indication de la rupture de la relativité générale aux grandes échelles de distances. La technique proposée exploite cette idée en comparant les contraintes sur l'énergie sombre obtenues par différentes observations cosmologiques et permet d'identifier clairement toute incohérence.

À titre d'exemple, la procédure a été appliquée à un modèle de l'Univers à 5 dimensions dans lequel la théorie de la gravitation est modifiée aux grandes échelles de distance. Les résultats obtenus montrent que cette technique permet de distinguer cette théorie des modèles mettant en jeu l'énergie sombre. Finalement, l'étude présentée montre que les projets d'observations cosmologiques futurs vont permettre de distinguer les théories de gravitation modifiée des modèles avec énergie sombre.

Les résultats présentés sont le produit d'un projet de recherche conduit par le Dr. Mustapha Ishak-Boushaki en collaboration avec le Professeur David Spergel du département d'Astrophysique de l'Université Princeton, et Amol Upadhye, étudiant aux cycles supérieurs au département de Physique de l'Université Princeton.