Des scientifiques ont testé la relativité d’Einstein à l’échelle cosmologique et ont trouvé quelque chose d’étrange : ScienceAlert

Tout dans l’univers a de la gravité et la ressent aussi. Cependant, c’est aussi cette force fondamentale la plus courante qui présente les plus grands défis pour les physiciens.

La théorie de la relativité générale d’Albert Einstein Il a remarquablement réussi à décrire l’attraction gravitationnelle des étoiles et des planètes, mais cela ne semble pas tout à fait vrai à toutes les échelles.

relativité générale Passé de nombreuses années de tests d’observation, de Mesure d’Eddington De la diffraction de la lumière des étoiles par le soleil en 1919 à La dernière détection d’ondes gravitationnelles.

Cependant, des lacunes dans notre compréhension commencent à apparaître lorsque nous essayons de l’appliquer sur de très petites distances, et où Les lois de la mécanique quantique fonctionnentou lorsque nous essayons de décrire l’univers entier.

Notre nouvelle étude, Publié dans astronomie naturelleIl a maintenant testé la théorie d’Einstein sur les plus grandes échelles.

Nous pensons que notre approche pourrait un jour aider à résoudre certains des plus grands mystères de la cosmologie, et les résultats suggèrent que la relativité générale devra peut-être être modifiée à cette échelle.

modèle défectueux ?

La théorie quantique prédit que l’espace vide, le vide, est plein d’énergie. Nous ne remarquons pas leur présence car nos appareils ne peuvent mesurer que les changements d’énergie plutôt que leur quantité totale.

Cependant, selon Einstein, l’énergie du vide a une attraction répulsive – elle écarte l’espace vide. Fait intéressant, en 1998, on a découvert que l’expansion de l’univers s’accélérait en fait (une découverte qui a été accordée avec Prix ​​Nobel de physique 2011).

Cependant, la quantité d’énergie du vide, ou énergie noire Comme on l’a appelé, il est nécessaire d’expliquer que l’accélération est inférieure de plusieurs ordres de grandeur à ce que prédit la théorie quantique.

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D’où la grande question, surnommée « l’ancien problème de la constante cosmologique », est de savoir si l’énergie du vide est vraiment attirée – donnant lieu à la force de gravité et modifiant l’expansion de l’univers.

Si oui, pourquoi son attrait est-il tellement plus faible que prévu ? Si un vide n’est pas du tout attiré, qu’est-ce qui cause l’accélération cosmique ?

Nous ne savons pas ce qu’est l’énergie noire, mais nous devons postuler son existence afin d’expliquer l’expansion de l’univers.

De même, nous devons également supposer qu’il existe une sorte d’existence de matière invisible appelée matière noireExpliquer comment les galaxies et les amas ont évolué pour devenir la façon dont nous les observons aujourd’hui.

Ces hypothèses ont été incorporées dans la théorie cosmologique standard des scientifiques, appelée modèle Lambda de la matière noire froide (LCDM) – qui suggère qu’il y a 70 % d’énergie noire, 25 % de matière noire et 5 % de matière ordinaire dans l’univers. Ce modèle a remarquablement réussi à ajuster toutes les données que les cosmologistes ont recueillies au cours des 20 dernières années.

Mais le fait que la majeure partie de l’univers se compose de forces et de matière noire, qui prennent des valeurs étranges et dénuées de sens, a conduit de nombreux physiciens à se demander si la théorie de la gravité d’Einstein devait être modifiée pour décrire l’univers entier.

Un nouveau développement est apparu il y a quelques années lorsqu’il est devenu évident que différentes façons de mesurer le taux d’expansion cosmique, appelées Constante de Hubbledonner des réponses différentes – un problème connu sous le nom Tension de Hubble.

Désaccord ou tension entre deux valeurs de la constante de Hubble.

Le premier est le nombre prédit par le modèle cosmologique LCDM, qui a été développé pour correspondre La lumière laissée par le Big Bang (La fond de micro-ondes cosmique radiation).

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L’autre est le taux d’expansion, qui est mesuré en observant des supernovae dans des galaxies lointaines.

Plusieurs idées théoriques pour les méthodes de modulation LCDM ont été proposées pour expliquer la tension de Hubble. Parmi elles se trouvent des théories alternatives de la gravité.

Recherche de réponses

Nous pouvons concevoir des tests pour vérifier si l’univers obéit aux règles de la théorie d’Einstein.

La relativité générale décrit la gravité comme la courbure ou la déviation de l’espace et du temps, qui courbe les chemins le long desquels la lumière et la matière voyagent. Il est important de noter qu’il prédit que les trajectoires des rayons lumineux et de la matière devraient être courbées par la gravité de la même manière.

Avec une équipe de cosmologistes, nous avons testé les lois fondamentales de la relativité générale. Nous avons également exploré si la modification de la théorie d’Einstein pouvait aider à résoudre certains problèmes ouverts en cosmologie, tels que la tension de Hubble.

Pour savoir si la relativité générale est vraie à grande échelle, nous avons entrepris, pour la première fois, d’en étudier simultanément trois aspects. Il s’agissait de l’expansion de l’univers, des effets de la gravité sur la lumière et des effets de la gravité sur la matière.

En utilisant une méthode statistique connue sous le nom d’inférence bayésienne, nous avons reconstruit la gravité de l’univers à travers l’histoire cosmique dans un modèle informatique basé sur ces trois paramètres.

Nous pouvons estimer les paramètres en utilisant les données de fond diffus cosmologique du satellite Planck, les catalogues de supernova ainsi que les observations des formes et de la distribution des galaxies lointaines par SDSS Et le DE télescopes.

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Ensuite, nous avons comparé notre reconstruction avec la prédiction au modèle LCDM (essentiellement le modèle d’Einstein).

Nous avons trouvé des indices intéressants sur une possible inadéquation avec les prédictions d’Einstein, bien qu’avec une signification statistique plutôt faible.

Cela signifie qu’il est toujours possible que la gravité fonctionne différemment à grande échelle et que la relativité générale doive être modifiée.

Notre étude a également révélé qu’il est très difficile de résoudre le problème de tension de Hubble en modifiant simplement la théorie de la gravité.

Peut-être qu’une solution complète nécessiterait un nouveau composant du modèle cosmologique, qui existait avant le moment où les protons et les électrons se sont combinés pour former de l’hydrogène après le Big Bangcomme une forme spéciale de matière noire, un type précoce d’énergie noire ou des champs magnétiques primordiaux.

Ou peut-être y a-t-il une erreur systématique inconnue dans les données.

Cependant, notre étude a démontré qu’il est possible de tester la validité de la relativité générale à des distances cosmiques en utilisant des données d’observation. Bien que nous n’ayons pas encore résolu le problème de Hubble, nous aurons beaucoup de données provenant des nouvelles sondes dans quelques années.

Cela signifie que nous pourrons utiliser ces méthodes statistiques pour modifier davantage la relativité générale et pour explorer les limites des modifications, afin d’ouvrir la voie à la résolution de certains des défis ouverts en cosmologie.

Kazuya Koyamaprofesseur de cosmologie, Université de Portsmouth Et le Lévon Bogosianprofesseur de physique, Université Simon Fraser

Cet article a été republié de Conversation Sous licence Creative Commons. Lis le article original.

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